Джеймс Уэбб показал, почему формирование планет — это гонка со временем

Планеты формируются внутри дисков из газа и пыли, окружающих молодые звёзды, но запас газа, от которого они зависят, не вечен. Новые наблюдения космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST) NASA дают астрономам более чёткую картину того, как этот газ улетучивается и как меняются доминирующие механизмы его потери по мере взросления планетных систем.

Исследование под руководством Намана Баджаджа из Университета Аризоны, в соавторстве с учёным Института SETI Умой Горти, охватило 72 молодые звезды, похожие на Солнце, и их протопланетные диски. Это одно из крупнейших исследований планетообразования, проведённых с помощью JWST, и оно показывает, что на разных этапах раннего развития системы доминируют разные типы ветров.

Результаты опубликованы в журнале The Astronomical Journal.

У планетообразования есть дедлайн

«Что захватывает в этом исследовании — теперь мы можем видеть на большой выборке молодых систем, как механизмы удаления газа из планетообразующих дисков меняются со временем. Рассеивание диска задаёт фундаментальные часы для планетообразования: как только газ исчезает, возможность построить богатые газом планеты практически утрачивается», — сказала Горти.

Нашей Солнечной системе сейчас около 4,5 млрд лет, и она состоит в основном из пустого пространства. Однако в первые несколько миллионов лет молодое Солнце было окружено плотным протопланетным диском, содержавшим примерно в 100 раз больше газа, чем пыли. Почти весь этот газ в итоге исчез.

Понимание того, когда и как теряется этот материал, важно, потому что газ необходим для формирования планет-гигантов, таких как Юпитер и Сатурн. Если диск теряет газ слишком быстро, формирующиеся планеты могут не успеть накопить огромные атмосферы, необходимые, чтобы стать газовыми гигантами.

JWST отслеживает улетучивающийся газ

Баджадж и его коллеги исследовали этот процесс, используя архивные наблюдения инструмента среднего инфракрасного диапазона JWST (MIRI). 72 системы охватывают разные стадии развития планет. В совокупности они дают что-то вроде последовательности снимков, позволяя исследователям восстановить, как рассеивание газа меняется по мере взросления систем.

В 2020 году профессор LPL Илария Паскуччи, второй автор статьи и научный руководитель Баджаджа, возглавила связанное исследование, изучавшее эволюцию джетов и ветров. До JWST исследователи не могли напрямую наблюдать молекулярный водород, но команда предсказала, что молекулярные ветры должны существовать и на самых ранних стадиях могут быть достаточно плотными, чтобы блокировать рентгеновские фотоны. Прямо отследив молекулярный водород в новых наблюдениях, команда Баджаджа подтвердила эти предсказания с помощью снимков JWST.

Исследователи сосредоточились на двух индикаторах улетучивающегося материала: молекулярном водороде, самой распространённой молекуле в протопланетных дисках, и ионизированном неоне. Чувствительность и разрешение JWST позволили им отличить широкие ветры, содержащие молекулярный водород, от джетов и ветров, отслеживаемых по неону.

В самых молодых системах, где материал всё ещё падает на центральную звезду, исследователи обнаружили мощные джеты, а также широкие ветры, содержащие как молекулярный, так и атомарный газ. Эти потоки согласуются с ветрами, порождаемыми магнитными полями, пронизывающими диск. Газ может следовать вдоль этих линий магнитного поля наружу, унося из диска как материал, так и угловой момент.

На первый план выходит звёздное излучение

По мере взросления планетных систем и снижения потока материала на звезду джеты ослабевают, а улетучивающийся газ становится всё более атомарным. На этой стадии высокоэнергетическое излучение молодой звезды может проникать в истончающийся материал и нагревать газ в диске, пока тот не улетучится. Этот механизм известен как фотоиспарение.

Горти десятилетиями изучает эволюцию и рассеивание протопланетных дисков, включая роль ультрафиолетового и рентгеновского излучения молодых звёзд в запуске фотоиспарительных ветров. Новые наблюдения JWST обеспечивают наблюдательную связь с этой теоретической работой на десятках систем. Они указывают, что фотоиспарение становится важнее по мере старения дисков, а магнитные джеты и ветры угасают.

Результаты говорят о том, что нет единого механизма, ответственного за очищение планетообразующего диска. Вместо этого молодые системы, по-видимому, начинают с мощных магнитных джетов и ветров, а затем переходят к более поздней стадии, на которой всё большее значение приобретают атомарные ветры, включая возникающие в результате фотоиспарения.

Этот переход имеет серьёзные последствия для формирующихся планет.

«Планетообразование, таким образом, — это гонка со временем, — сказал Баджадж. — Газовые гиганты вроде Юпитера должны собрать свои массивные атмосферы, пока диск ещё достаточно substantial, чтобы их снабжать, до того как ветры и джеты унесут это сырьё в космос».

Исследователи обнаружили протяжённое излучение молекулярного водорода и ионизированного неона в 66 из 72 дисков. Конические ветры молекулярного водорода появились в 46 системах, а быстрые неоновые джеты — в 40. Каждая система с неоновым джетом также демонстрировала признаки ветра, отслеживаемого по молекулярному водороду или кислороду.

Более широкий взгляд на эволюцию планетных систем

Исследование развивает более ранние наблюдения той же группы. В 2024 году Баджадж, Горти и их коллеги использовали JWST, чтобы запечатлеть газ, уносимый из планетообразующего диска вокруг молодой звезды T Cha.

Та более ранняя работа показала, что JWST может напрямую исследовать рассеивание диска в отдельной планетной системе. Новое исследование распространяет этот подход на десятки молодых звёзд, показывая, как меняется баланс между джетами, молекулярными и атомарными ветрами по мере старения планетных систем.

Теперь исследователи хотят точно определить, сколько газа эти ветры уносят со временем, и выяснить, откуда именно в диске берётся улетучивающийся материал. Эти измерения могли бы показать не только то, как быстро закрывается окно для планетообразования, но и какие области диска способны порождать разные типы планет, прежде чем их запас газа исчезнет.

Источники:

Материалы предоставлены Институтом SETI.

Naman S. Bajaj, Ilaria Pascucci, Sylvie Cabrit, Suzan Edwards, Gabriele Cugno, Andrew D. Sellek, Joan R. Najita, Ke Zhang, Richard Alexander, Gregory J. Herczeg, Uma Gorti, Sophie C. Clark, Tracy L. Beck. JWST/MIRI Reveals the Evolution from Molecular to Atomic Disk Winds. The Astronomical Journal, 2026; 172 (3): 161 DOI: 10.3847/1538-3881/ae9089