Сверхразрешающая съемка раскрывает первый этап формирования планет после рождения звезды

Новые высокодетализированные изображения протопланетных дисков в области звездообразования Змееносца, созданные с улучшенным анализом. Разрешение показано белым эллипсом в нижнем левом углу каждой панели, где меньший эллипс означает более высокое разрешение. Белая линия в нижнем правом углу каждой панели указывает масштаб 30 астрономических единиц (а.е.). Эволюционная стадия центральных звезд прогрессирует слева направо и сверху вниз в одном ряду. Автор: ALMA(ESO/NAOJ/NRAO), Аюму Сёси и др.

Определение периода формирования планетных систем, таких как наша Солнечная система, может стать началом пути к открытию происхождения жизни. Ключом к этому являются уникальные субструктуры, обнаруженные в протопланетных дисках — местах формирования планет.

Протопланетный диск состоит из молекулярного газа низкой температуры и пыли, окружающих протозвезду. Если в диске существует планета, её гравитация собирает или выбрасывает материал внутри диска, формируя характерные субструктуры, такие как кольца или спирали. Другими словами, различные субструктуры диска можно интерпретировать как «сообщения» от формирующихся планет. Для детального изучения этих субструктур требуются высокодетализированные радио-наблюдения с ALMA.

Многочисленные наблюдения ALMA за протопланетными дисками (или околозвездными дисками) уже проводились. В частности, две крупные программы ALMA, DSHARP и eDisk, позволили выявить детальное распределение пыли в протопланетных дисках благодаря высокому разрешению.

Проект DSHARP обнаружил, что характерные структуры распространены в околозвездных дисках вокруг 20 молодых звезд, каждая из которых превышает 1 миллион лет с начала звездообразования.

С другой стороны, проект eDisk, исследовавший диски вокруг 19 протозвезд в фазе аккреции (стадии, когда аккреция массы на звезду и диск активна), обнаружил меньше характерных структур. Эта фаза наступает примерно через 10 000–100 000 лет после рождения звезды. Это говорит о том, что диски имеют разнообразные характеристики в зависимости от возраста звезды.

Возникает вопрос: когда появляются субструктуры — признаки формирования планет — в дисках? Чтобы найти ответ, необходимо наблюдать диски промежуточного возраста, которые еще не были исследованы. Однако ограничения на количество дисков, которые можно наблюдать с высоким разрешением из-за расстояния и времени наблюдений, затрудняют проведение статистически значимого исследования с достаточно большой выборкой.

Чтобы преодолеть эти ограничения, исследовательская группа применила метод сверхразрешающей визуализации с использованием разреженного моделирования. В радиоастрономии изображения обычно восстанавливаются на основе определенного предположения, чтобы компенсировать недостающие данные наблюдений. Используемый метод визуализации восстанавливает изображения с более точным предположением, чем традиционный подход, создавая изображения с более высоким разрешением, даже если используются те же данные наблюдений. Результаты исследования опубликованы в Publications of the Astronomical Society of Japan.

Рис. 1: Сравнение изображений протопланетных дисков в области звездообразования Змееносца, созданных с помощью сверхразрешающей визуализации с разреженным моделированием и традиционного метода. Автор: ALMA(ESO/NAOJ/NRAO), Аюму Сёси и др.

Кроме того, общее количество образцов в этом исследовании почти в четыре раза больше, чем в предыдущих двух проектах, что значительно повышает надежность статистического анализа. Среди проанализированных 78 дисков у 27 были обнаружены кольцевые или спиральные структуры, причем 15 из них были идентифицированы впервые.

Команда объединила данные по Змееносцу с результатами проекта eDisk для статистического анализа. В результате они обнаружили, что характерные субструктуры дисков появляются в дисках с радиусами более 30 астрономических единиц на ранней стадии звездообразования, всего через несколько сотен тысяч лет после рождения звезды (рис. 2).

Рис. 2: Диаграмма рассеяния болометрических температур и радиусов пылевых дисков исследуемых объектов. Автор: Аюму Сёси и др.

Это говорит о том, что планеты начинают формироваться на гораздо более ранней стадии, чем считалось ранее, когда диск еще содержит много газа и пыли (рис. 3). Другими словами, планеты растут вместе со своими очень молодыми звездами-хозяевами.

Рис. 3: Художественное представление характерной субструктуры в протопланетном диске, сформировавшейся через несколько сотен тысяч лет после рождения центральной звезды. Автор: Ёсиаки Накамура, Аюму Сёси и др.

Аюму Сёси комментирует: «Эти результаты, объединяющие проекты eDisk и DSHARP, стали возможны благодаря инновационной визуализации, которая позволяет достичь как высокого разрешения, так и большого количества образцов. Хотя эти выводы относятся только к дискам в созвездии Змееносца, будущие исследования других областей звездообразования покажут, является ли эта тенденция универсальной».

Дополнительная информация: Ayumu Shoshi et al, ALMA 2D super-resolution imaging survey of Ophiuchus Class I/flat spectrum/II disks. I. Discovery of new disk substructures, Publications of the Astronomical Society of Japan (2025). DOI: 10.1093/pasj/psaf026