JWST відкриває велику різноманітність багатих вуглецем газів

Планети утворюються в газових і пилових дисках, обертаючись навколо молодих зірок. Дослідження MIRI Mid-INfrared Disk Survey (MINDS), очолюване Томасом Хеннінгом з Інституту астрономії Макса Планка (MPIA) у Гейдельберзі, Німеччина, спрямоване на створення репрезентативної вибірки диска. Досліджуючи їх хімію та фізичні властивості за допомогою MIRI (Infrared Instrument) на борту космічного телескопа Джеймса Вебба (JWST), співпраця пов’язує ці диски з властивостями планет, які потенційно там утворюються.

У новому дослідженні команда дослідників досліджувала околиці зірки з дуже малою масою 0,11 маси Сонця (відомої як ISO-ChaI 147), результати якого опубліковані в журналі Science.

JWST відкриває нове вікно в хімію дисків, що утворюють планети

«Ці спостереження неможливі з Землі, оскільки відповідні викиди газу поглинаються її атмосферою», — пояснив провідний автор Адітя Арабхаві з Університету Гронінгена в Нідерландах.

«Раніше ми могли ідентифікувати лише випромінювання ацетилену (C₂H₂) від цього об’єкта. Однак вища чутливість JWST і спектральна роздільна здатність його приладів дозволили нам виявити слабке випромінювання від менш поширених молекул».

Колаборація MINDS виявила газ при температурах близько 300 Кельвінів (приблизно 30 градусів за Цельсієм), сильно збагачений вуглецевими молекулами, але не містить збагачених киснем сполук. «Це кардинально відрізняється від складу, який ми бачимо в дисках навколо зірок сонячного типу, де домінують молекули, що містять кисень, такі як вода та вуглекислий газ», — додала член групи Інга Камп з Університету Гронінгена.

Одним із яскравих прикладів насиченого киснем диска є диск PDS 70, де нещодавно програма MINDS знайшла велику кількість водяної пари. Враховуючи попередні спостереження, астрономи дійшли висновку, що диски навколо зірок із дуже малою масою еволюціонують інакше, ніж диски навколо більш масивних зірок, таких як Сонце, з потенційними наслідками для пошуку там кам’янистих планет із земними характеристиками.

Оскільки середовище в таких дисках визначає умови, в яких утворюються нові планети, будь-яка така планета може бути скелястою, але зовсім не схожою на Землю в інших аспектах.

Що це означає для скелястих планет, що обертаються навколо зірок із дуже малою масою?

Кількість матеріалу та його розподіл між цими дисками обмежує кількість і розміри планет, які диск може забезпечити необхідним матеріалом. Отже, спостереження показують, що скелясті планети з розмірами, подібними до Землі, формуються ефективніше, ніж газові гіганти, схожі на Юпітер, у дисках навколо зірок із дуже малою масою, найпоширеніших зірок у Всесвіті. У результаті зірки з дуже малою масою містять більшість планет земної групи.

«У багатьох первинних атмосферах цих планет, ймовірно, переважатимуть вуглеводневі сполуки, а не стільки багаті киснем гази, як-от вода та вуглекислий газ», — зазначив Хеннінг.

«У попередньому дослідженні ми показали, що транспортування багатого вуглецем газу в зону, де зазвичай формуються планети земної групи, відбувається швидше та ефективніше в цих дисках, ніж у більш масивних зірок».

Хоча здається очевидним, що диски навколо зірок із дуже малою масою містять більше вуглецю, ніж кисню, механізм цього дисбалансу досі невідомий. Склад диска є результатом або збагачення вуглецем, або відновлення кисню. Якщо вуглець збагачений, причиною, ймовірно, є тверді частинки на диску, вуглець яких випаровується та виділяється в газоподібний компонент диска.

Зерна пилу, позбавлені початкового вуглецю, зрештою утворюють скелясті планетарні тіла. Ці планети будуть бідними на вуглець, як і Земля. Тим не менш, вуглецева хімія, ймовірно, домінувала б принаймні в їхніх первинних атмосферах, створених дисковим газом. Тому зірки з дуже малою масою можуть не запропонувати найкраще середовище для пошуку планет, схожих на Землю.

JWST відкриває величезну кількість органічних молекул

Щоб ідентифікувати дискові гази, команда використовувала спектрограф MIRI, щоб розкласти інфрачервоне випромінювання, отримане від диска, на сигнатури малих діапазонів довжин хвиль — подібно до того, як сонячне світло розбивається на веселку. Таким чином команда виділила безліч індивідуальних сигнатур, пов’язаних з різними молекулами.

Як наслідок, спостережуваний диск містить найбагатший хімічний склад вуглеводнів, який бачили на сьогодні у протопланетному диску, що складається з 13 молекул, що містять вуглець, аж до бензолу (C₆H₆). Вони включають перше позасонячне виявлення етану (C₂H₆), найбільшого повністю насиченого вуглеводню, виявленого за межами Сонячної системи.

Команда також успішно виявила етилен (C₂H₄), пропін (C₃H₄) і метиловий радикал CH₃ вперше в протопланетному диску. Навпаки, дані не містили натяку на воду чи чадний газ на диску.

Покращення зору дисків навколо зірок дуже малої маси

Далі наукова команда має намір розширити своє дослідження до більшої вибірки таких дисків навколо зірок із дуже малою масою, щоб розвинути своє розуміння того, наскільки поширеними є такі екзотичні багаті вуглецем земні регіони формування планет.

«Розширення нашого дослідження також дозволить нам краще зрозуміти, як можуть утворюватися ці молекули», — пояснив Хеннінг. «Кілька особливостей даних також досі невідомі, що вимагає додаткової спектроскопії для повної інтерпретації наших спостережень».