Ветры перемен: Уэбб раскрывает силы, формирующие протопланетные диски

Это представление художника о планетообразующем диске, окружающем молодую звезду, показывает закрученный «блин» горячего газа и пыли, из которых формируются планеты. Используя космический телескоп Джеймса Уэбба, команда получила подробные изображения, показывающие слоистую, коническую структуру дисковых ветров – потоков газа, выдувающихся в космос. Автор: National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ)

Каждую секунду в видимой Вселенной рождается более 3000 звезд. Многие из них окружены тем, что астрономы называют протопланетным диском — закрученным «блином» горячего газа и пыли, из которого формируются планеты. Однако точные процессы, которые приводят к появлению звезд и планетных систем, до сих пор плохо изучены.

Группа астрономов под руководством исследователей из Университета Аризоны использовала космический телескоп Джеймса Уэбба НАСА, чтобы получить некоторые из самых подробных сведений о силах, формирующих протопланетные диски. Наблюдения дают представление о том, как могла выглядеть наша Солнечная система 4,6 миллиарда лет назад.

В частности, команда смогла проследить так называемые дисковые ветры в беспрецедентных подробностях. Эти ветры представляют собой потоки газа, выдувающиеся из диска, формирующего планету, в космос. Питаемые в основном магнитными полями, эти ветры могут проходить десятки миль всего за одну секунду.

Результаты исследований, опубликованные в журнале Nature Astronomy, помогают астрономам лучше понять, как формируются и развиваются молодые планетные системы.

По словам ведущего автора статьи Иларии Паскуччи, профессора Лаборатории лунных и планетарных исследований Университета Альберты, одним из важнейших процессов, происходящих в протопланетном диске, является поглощение звездами вещества из окружающего их диска, что известно как аккреция.

«То, как звезда аккрецирует массу, оказывает большое влияние на то, как окружающий диск развивается с течением времени, включая то, как впоследствии формируются планеты», — сказал Паскуччи. «Конкретные способы, которыми это происходит, пока не изучены, но мы думаем, что ветры, движущиеся магнитными полями по большей части поверхности диска, могут играть очень важную роль».

Молодые звезды растут, втягивая газ из вращающегося вокруг них диска, но для этого газ должен сначала потерять часть своей инерции. В противном случае газ будет постоянно вращаться вокруг звезды и никогда не упадет на нее. Астрофизики называют этот процесс «потерей углового момента», но как именно это происходит, оказалось неясным.

Для того чтобы произошла аккреция, газ по всему диску должен сбросить угловой момент, но астрофизикам сложно прийти к единому мнению о том, как именно это происходит. В последние годы дисковые ветры стали важными игроками, уносящими часть газа с поверхности диска, а вместе с ним и угловой момент, что позволяет оставшемуся газу двигаться внутрь и в конечном итоге падать на звезду.

По словам второго автора статьи Трейси Бек из Научного института космического телескопа НАСА, поскольку существуют и другие процессы, формирующие протопланетные диски, крайне важно уметь различать эти явления.

Это составное изображение RGB одного из источников, описанных в статье (HH30), впервые показывает вложенную морфологию дисковых ветров с несколькими трассерами: эмиссия Fe[II] (синим цветом) отслеживает самый быстрый и наиболее коллимированный компонент (джет). Эмиссия Fe[II] вложена в более низкоскоростную эмиссию водорода (зеленый цвет), которая сама вложена в еще более медленную эмиссию оксида углерода (J=2-1) (красный цвет). Эмиссии Fe[II] и водорода были получены с помощью JWST/NIRSpec, в то время как эмиссия оксида углерода ранее наблюдалась с помощью ALMA (Atacama Large Millimeter Array). Автор: Ilaria Pascucci et al.

В то время как вещество на внутреннем крае диска выталкивается магнитным полем звезды в так называемом Х-ветре, внешние части диска разрушаются под воздействием интенсивного звездного света, что приводит к возникновению так называемых тепловых ветров, которые дуют с гораздо меньшей скоростью.

«Чтобы отличить ветер, вызываемый магнитным полем, тепловой ветер и X-ветер, нам действительно потребовалась высокая чувствительность и разрешение JWST (космического телескопа Джеймса Уэбба)», — сказал Бек.

В отличие от узконаправленного X-ветра, ветры, наблюдаемые в настоящем исследовании, исходят из более обширной области, которая включает внутренние, каменистые планеты нашей солнечной системы — примерно между Землей и Марсом. Эти ветры также простираются дальше над диском, чем термальные ветры, достигая расстояний, в сотни раз превышающих расстояние между Землей и Солнцем.

«Наши наблюдения убедительно свидетельствуют о том, что мы получили первые изображения ветров, которые могут устранить угловой момент и решить давнюю проблему формирования звезд и планетных систем», — сказал Паскуччи.

Для своего исследования ученые выбрали четыре протопланетные дисковые системы, все из которых видны с ребра при наблюдении с Земли.

«Их ориентация позволила пыли и газу в диске действовать как маска, блокируя часть яркого света центральной звезды, который в противном случае подавлял бы ветры», — сказал Наман Баджадж, аспирант Лаборатории лунных и планетарных исследований, принявший участие в исследовании.

Настроив детекторы JWST на отдельные молекулы в определенных переходных состояниях, команда смогла проследить различные слои ветров. Наблюдения выявили сложную трехмерную структуру центральной струи, вложенную в конусообразную оболочку ветров, возникающих на все больших расстояниях от диска, похожую на слоистую структуру луковицы.

По словам исследователей, важным новым открытием стало последовательное обнаружение выраженного центрального отверстия внутри конусов, образованного молекулярными ветрами в каждом из четырех дисков.

Далее команда Паскуччи надеется распространить эти наблюдения на большее количество протопланетных дисков, чтобы лучше понять, насколько распространены наблюдаемые структуры дискового ветра во Вселенной и как они развиваются с течением времени.

«Мы считаем, что они могут быть обычными, но с четырьмя объектами это немного сложно сказать», — сказал Паскуччи. «Мы хотим получить более крупную выборку с Джеймсом Уэббом, а затем также посмотреть, сможем ли мы обнаружить изменения в этих ветрах по мере того, как собираются звезды и формируются планеты».

Больше информации: The nested morphology of disk winds from young stars revealed by JWST/NIRSpec observations, Nature Astronomy (2024). DOI: 10.1038/s41550-024-02385-7

Источник: University of Arizona