Наблюдая за рождением планет: телескоп Уэбба обеспечивает беспрецедентный вид на систему PDS 70

Многоволновое изображение системы PDS 70 показывает динамическое взаимодействие между формирующимися планетами (PDS 70 b и c) и их окружением. Автор: University of Victoria

Канадские астрономы сделали необычайный шаг в понимании того, как рождаются планеты, используя космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST). JWST использовался для изучения PDS 70, молодой звезды с двумя растущими планетами на ее орбите. Эта замечательная система, расположенная в 370 световых годах от нас, дает ученым редкую возможность увидеть, как формируются и развиваются планеты на самых ранних стадиях развития.

Молодая звезда и ее планетарные ясли

PDS 70 — молодая звезда, ей всего около 5 миллионов лет — практически новорожденная по сравнению с нашим солнцем, которому 4,6 миллиарда лет. Вокруг нее — диск газа и пыли, сплющенный как блин, с большим зазором посередине, где формируются две планеты, PDS 70 b и PDS 70 c. Этот зазор — зона планетарного строительства, где совершенно новые миры подбирают материал, чтобы вырасти.

Новый способ поиска планет с JWST

Чтобы получить столь четкий вид планет и диска, команда использовала тепловизор ближнего инфракрасного диапазона и бесщелевой спектрограф (NIRISS) JWST в режиме интерферометрии с маскировкой апертуры (AMI) — хитрый трюк с телескопом. Они поместили специальную маску с несколькими крошечными отверстиями над телескопом, которая позволяла небольшой доле (~15%) света проходить и интерферировать, создавая перекрывающиеся узоры, похожие на то, как рябь от двух камешков взаимодействует на поверхности воды. Анализируя эти узоры, они могли «увидеть» скрытые детали системы с необычайной точностью.

«Эта инновационная технология подобна уменьшению яркости прожектора молодой звезды, чтобы можно было рассмотреть детали того, что находится вокруг нее, — в данном случае, планеты», — пояснил профессор Рене Дойон, директор Института исследований экзопланет имени Троттье (IREx) и главный исследователь инструмента NIRISS телескопа JWST.

Этот подход позволил команде обнаружить особенности, которые традиционные телескопические изображения не могут обнаружить, что делает это исследование новаторским доказательством концепции для таких наблюдений с мощным космическим телескопом. Благодаря своей способности видеть детали на уровне, который никогда не достигался ранее, JWST производит революцию в способе изучения планет и их происхождения.

«Эта работа показывает, как JWST может сделать что-то совершенно новое», — добавил доктор Луик Альберт из IREx, научный сотрудник по инструментам JWST NIRISS. «Мы используем инновационные методы, чтобы изучать планеты способами, которые мы никогда не делали раньше».

Геометрическая модель степенного закона, соответствующая данным фазы ядра F480M и амплитуды ядра логарифма PDS 70 (изображения) с использованием равномерных априорных значений положений PDS 70 b и c, показанных с линейным растяжением в произвольных единицах. Относительно центрального источника (желтая звезда) PDS 70 b находится на юго-востоке, а PDS 70 c — прямо на западе. Белые и серые пунктирные контуры, нанесенные поверх произвольно окрашенной апостериорной плотности, обозначают контуры 1σ, 2σ и 3σ маргинализированного апостериора положений PDS 70 b и c из байесовского среднего апостериоров трех моделей. Два серых пунктирных круга центрированы на предсказанных местоположениях планет во время наблюдений (JJ Wang et al. 2021b) из whereistheplanet (JJ Wang et al. 2021a). Мы маскируем центральную область, чтобы обозначить внутренний рабочий угол ~0,5λ/B = 94 мсек. дуги, дифракционный предел данных. Автор: The Astronomical Journal (2025). DOI: 10.3847/1538-3881/ad9b94

Растущие планеты все еще находятся в стадии строительства

Наблюдения JWST подтвердили наличие двух гигантских планет, все еще находящихся в процессе формирования. Эти планеты втягивают материал из диска, подобно тому, как дети хватают строительные блоки, чтобы построить башню. Исследователи измерили свет планет в среднем инфракрасном диапазоне с помощью инструмента NIRISS JWST и определили, что обе планеты, по-видимому, накапливают газ — критический этап в их развитии. Сильные сигнатуры обнаружения PDS 70 b и PDS 70 c позволили провести точные измерения их яркости и местоположения.

Эти результаты дают прямые доказательства того, что планеты все еще растут и конкурируют со своей звездой-хозяином за материал в диске, поддерживая идею о том, что планеты формируются в процессе «аккреции», постепенно вытягивая массу из газа и пыли вокруг них. Этот редкий снимок планет во время фазы их роста может помочь ученым понять, как такие миры, как Юпитер и Сатурн, могли образоваться в нашей собственной солнечной системе.

«Эти наблюдения дают нам невероятную возможность стать свидетелями формирования планет в процессе их формирования. Наблюдение за планетами в процессе аккреции материала помогает нам ответить на давние вопросы о том, как формируются и развиваются планетные системы. Это похоже на наблюдение за тем, как на наших глазах формируется Солнечная система», — говорит Дуг Джонстон, главный научный сотрудник Центра астрономических и астрофизических исследований имени Герцберга Национального исследовательского совета Канады (NRC).

Намеки на «будущие луны»

Данные также предполагают, что планеты могут иметь кольца материала вокруг себя, называемые околопланетными дисками. Эти диски могут быть тем местом, где формируются луны — вроде тех, что вращаются вокруг Юпитера и Сатурна сегодня.

Предыдущие наблюдения PDS 70 b и PDS 70 c на более коротких длинах волн в значительной степени объяснялись моделями, изначально разработанными для звезд с малой массой и коричневых карликов. Однако новые наблюдения JWST, выполненные на самых длинных волнах, когда-либо использовавшихся для изучения этих планет, выявили дополнительный свет, который не мог быть полностью объяснен этими моделями.

Этот дополнительный свет намекает на присутствие теплого материала, окружающего планеты, возможно, из дисков материала, активно аккрецирующего на планеты. Это новое свидетельство усиливает аргументы в пользу существования околопланетных дисков, которые, как полагают, играют решающую роль в формировании систем лун и росте планет.

Шаг вперед для планетарной науки

Открытия в PDS 70 дают астрономам более ясную картину того, как планеты и звезды формируются и развиваются вместе. Наблюдая за ростом этих планет и их взаимодействием с окружающей средой, ученые изучают, как возникают планетные системы, подобные нашей.

«Это как увидеть семейное фото нашей солнечной системы, когда она была еще совсем маленькой», — сказал Блейкли. «Невероятно думать о том, как много мы можем узнать из одной системы».

Что ждет PDS 70 дальше?

Возможно, самым интригующим открытием стало обнаружение слабого, неразрешенного источника света в зазоре протопланетного диска. Хотя природа этого излучения неясна, оно может представлять собой структуру, похожую на спиральный рукав из газа и пыли, или даже третью планету, также формирующуюся в системе.

Последующие наблюдения с использованием других инструментов JWST, включая MIRI и NIRCam, получат решающее значение для подтверждения того, является ли свечение новой планетой, элементом диска или чем-то совершенно неожиданным.

Больше информации: Dori Blakely et al, The James Webb Interferometer: Space-based Interferometric Detections of PDS 70 b and c at 4.8 μm, The Astronomical Journal (2025). DOI: 10.3847/1538-3881/ad9b94

Источник: University of Victoria