Астрономы раскрыли ключевые детали формирования планет, изучая газы вокруг молодых звёзд

Изображения в 1,3 мм (левые панели) и 12CO (2-1) (правые панели) из выборки AGE-PRO. Автор: arXiv (2025). DOI: 10.48550/arxiv.2506.10719

Международная команда учёных под руководством астрономов из Университета Висконсин-Мэдисон провела самые точные на сегодняшний день измерения газов, вращающихся вокруг молодых звёзд, и их изменения массы со временем. Это открытие помогает собрать воедино ключевые элементы головоломки, объясняющей, какие типы планет формируются — каменистые, подобные Земле, газовые гиганты вроде Юпитера или ледяные шары, напоминающие Нептун — по мере эволюции звёздных систем.

Исследователи использовали массив из 66 мощных радиотелескопов ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), расположенных на высоте 16 000 футов в чилийских Андах, чтобы изучить газовые диски вокруг 30 молодых звёзд.

«Чтобы понять, какие типы планет и сколько их может быть в системе, фундаментальное требование — знать массу диска вокруг молодой звезды. Мы называем эти диски протопланетными», — объясняет Ке «Коко» Чжан, профессор астрономии в UW–Madison и руководитель исследования ALMA Survey of Gas Evolution of Protoplanetary Disks.

Изученные звёзды имели возраст от менее 1 миллиона до более 5 миллионов лет. Хотя это звучит как огромный срок, для звёзд это «младенческий» возраст.

«Нашей Солнечной системе около 4,5 миллиардов лет, — говорит Чжан. — Так что эти системы возрастом всего несколько миллионов лет — настоящие младенцы».

Молодые звёзды, вероятно, начинают свою жизнь с протопланетных дисков, состоящих примерно на 1% из пыли и на 99% из газа — в основном водорода и гелия.

Художественное изображение протопланетного диска — пыли и газа, удерживаемых гравитацией молодой звезды. Новое исследование показало, что время жизни газа в диске определяет сроки формирования планет. Автор: NSF/AUI/NSF NRAO/S.Dagnello

Леон Трапман, постдокторант в лаборатории Чжана во время исследования, провёл анализ электромагнитного излучения дисков, сравнивая сигнатуры различных молекул газа для точного измерения их масс. Предыдущие исследования опирались на фиксированное соотношение монооксида углерода (который легко обнаружить радиотелескопами, хотя его в дисках немного) к водороду.

Новый метод учитывал интенсивность сигнатуры ионов N₂H⁺, количество которых увеличивается по мере уменьшения монооксида углерода. Это позволило отследить изменение содержания газа в дисках за первые миллионы лет.

«Теперь мы видим, что масса газа быстро уменьшается в первый миллион лет жизни протопланетных дисков, а затем снижение замедляется, в то время как масса пыли, вероятно, уменьшается равномерно, — говорит Чжан. — Так что, если вы хотите сформировать газовых гигантов вроде Юпитера, нужно успеть, пока газа ещё много — а это всего несколько миллионов лет».

Формирование каменистых планет, подобных Земле, может происходить гораздо медленнее — сотни миллионов лет, благодаря устойчивости пыли, из которой они образуются.

Результаты, которые скоро будут опубликованы в специальном выпуске The Astrophysical Journal, также предполагают, что газ может «выдуваться» из дисков звёзд под действием магнитных полей. Исследование уже доступно на сервере препринтов arXiv.

Следующий этап работы — изучение химического состава внутренних областей протопланетных дисков, где формируются каменистые планеты. Для этого команда будет использовать данные космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST), который лучше ALMA анализирует горячие материалы во внутренних областях дисков.

«С этими данными мы сможем изучить материалы вблизи звезды, где, как мы думаем, формируются каменистые планеты, — объясняет Чжан. — Анализируя состав воды и органических соединений, мы поймём, как они меняются в процессе эволюции дисков».

Дополнительная информация: Ke Zhang et al, The ALMA Survey of Gas Evolution of PROtoplanetary Disks (AGE-PRO): I. Program Overview and Summary of First Results, arXiv (2025). DOI: 10.48550/arxiv.2506.10719