Учёные считают, что одним из важнейших событий в ранней Солнечной системе было колоссальное столкновение молодой Земли с телом размером с Марс, известным как Тейя. Удар, вероятно, испарил огромные объёмы породы и выбросил материал в космос. Часть этих обломков в итоге собралась в Луну — туда, куда программа NASA «Артемида» возвращает людей, готовясь к Марсу и формируя будущее космических исследований.
Это древнее столкновение кардинально изменило Землю. Теперь астрономы используют космический телескоп NASA «Джеймс Уэбб» для изучения молодых звёздных систем, которые, судя по всему, переживают столь же бурные события. Изучая эти системы, исследователи могут оценить, насколько энергичными были столкновения, и узнать больше о том, как формируются и эволюционируют каменистые планеты.
Результаты работы команды опубликованы 1 октября в журнале The Astrophysical Journal.
«Уэбб» нацелился на редкие экстремальные осколочные диски
Материал вокруг звезды со временем значительно меняется. Молодые звёзды начинают с юного, богатого газом протопланетного диска, где могут находиться формирующиеся планеты. По мере взросления системы эта среда превращается в бедный газом осколочный диск.
За годы работы вышедший на пенсию космический телескоп NASA «Спитцер» изучал такие осколочные диски и выделил необычную категорию — экстремальные осколочные диски. Эти системы содержат исключительно большое количество тёплой пыли вблизи своих звёзд — примерно в той же области, где в нашей Солнечной системе обращаются каменистые планеты.
Кейт Су из Института космических наук в Боулдере (штат Колорадо) возглавила команду астрономов, которая использовала «Уэбб» для более детального изучения этих необычных систем.
Теоретические модели предполагают, что экстремальные осколочные диски должны быть относительно распространены, но наблюдения говорят об обратном. По данным, собранным на сегодня, учёные оценивают, что лишь около 1% молодых звёзд демонстрируют наблюдаемые признаки этой стадии. Наша Солнечная система, возможно, тоже прошла через такую фазу во время своего формирования.
Хотя такие системы редки, исследователи собрали выборку из 21 экстремального осколочного диска. Пять из них взяты из архивных наблюдений «Спитцера», а 16 изучены с помощью «Уэбба». Из выборки «Уэбба» 12 дисков наблюдались впервые, а четыре — это повторные наблюдения систем, ранее изученных «Спитцером».
«Это первый раз, когда мы собрали достаточно систем, чтобы по-настоящему понять этот подкласс, который мы называем экстремальными осколочными дисками, — сказала Су, ведущий автор статьи. — До "Уэбба" у нас было мало информации. Мы знали, что они странные и сильно отличаются от типичных холодных осколочных дисков, которые нам известны, таких как у Веги и Фомальгаута. Теперь, когда у нас больше данных, мы можем точно определить, что эти диски означают для формирования и эволюции планет».
Пыль раскрывает природу планетарных столкновений
Исследователи подтвердили, что экстремальные осколочные диски обладают тремя определяющими характеристиками. Их пылинки меньше, чем в протопланетных или более типичных осколочных дисках; они содержат необычно высокие концентрации тёплой пыли; а их яркость нерегулярно меняется со временем. «Уэбб» и «Спитцер» выявили эти особенности с помощью спектров среднего инфракрасного диапазона.
Чтобы понять, что может вызывать эти необычные черты, исследователи изучили минералы, присутствующие в дисках. Их анализ показал, что системы можно разделить на две большие группы: богатые кремнезёмом диски и бедные кремнезёмом диски.
На Земле вулканическое стекло, такое как обсидиан, — пример богатого кремнезёмом материала. Бедный кремнезёмом минерал форстерит, в свою очередь, можно увидеть как зелёные песчинки на некоторых пляжах Гавайев.
Богат ли диск кремнезёмом или беден, может дать важную информацию о столкновении, создавшем его обломки. Это различие также может помочь объяснить, почему некоторые диски гораздо сильнее колеблются в инфракрасной яркости.
«Для меня самым захватывающим было просто увидеть их излучение в среднем инфракрасном диапазоне и прекрасные спектральные особенности с "Уэббом", что позволило нам определить их состав, — сказала Агнес Кошпаль из обсерватории Конкоя в Будапеште (Венгрия), соавтор исследования. — У нас нет другого способа напрямую изучать эти планетарные зародыши, потому что они слишком малы».
Миры размером с Марс могут сталкиваться друг с другом
Примерно треть дисков в выборке богата кремнезёмом. Исследователи говорят, что эти системы, вероятно, сформировались после чрезвычайно энергичных столкновений между телами размером с Марс. Такие удары были бы достаточно мощными, чтобы испарить значительное количество каменистого материала.
Остальные две трети бедны кремнезёмом. Эти системы, по-видимому, возникли в результате менее энергичных столкновений, включая касательные удары между объектами размером с Луну.
Исследователи также обнаружили важное возрастное различие между двумя группами. Богатые кремнезёмом диски были идентифицированы только вокруг звёзд моложе 300 миллионов лет. Бедные кремнезёмом диски, напротив, встречаются вокруг звёзд гораздо более широкого диапазона возрастов и, как правило, демонстрируют более сильные изменения яркости.
Команда предполагает, что эта изменчивость может быть связана с быстрой эволюцией новообразованных обломков. Изменения орбиты материала вместе с дополнительными столкновениями могут заставлять инфракрасную яркость расти и падать со временем.
Полученные результаты также могут помочь учёным восстановить историю нашей собственной Солнечной системы, которая, возможно, прошла через более чем одну фазу экстремального осколочного диска.
«То, как формировались каменистые планеты и эволюционировали газовые гиганты, — часть более широкой истории формирования Солнечной системы. Это всё одна история, — сказала Су. — Наша работа над экстремальными осколочными дисками помогает нам собрать воедино общую картину того, что мы сейчас понимаем».
Подсказки о столкновении, сформировавшем Луну
Компьютерные модели предполагают, что планеты земной группы, включая Землю, должны появляться в течение первых нескольких сотен миллионов лет после начала формирования Солнечной системы.
Эта временная шкала совпадает с возрастами богатых кремнезёмом экстремальных осколочных дисков, наблюдавшихся на сегодня. Она также согласуется с оценками, что Земля и Луна сформировались примерно через 100 миллионов лет после Солнца, причём Луна, вероятно, стала результатом столкновения Земли с объектом размером с Марс.
Учёные также интересуются, могло ли Солнце когда-то пройти через фазу бедного кремнезёмом экстремального осколочного диска.
Если более старые бедные кремнезёмом диски и их, казалось бы, случайные периоды изменения инфракрасной яркости вызваны орбитальной нестабильностью, эта картина была бы в целом совместима с гипотезой поздней тяжёлой бомбардировки для нашей Солнечной системы.
Согласно этому сценарию, планеты-гиганты значительно сместились со своих первоначальных позиций. Их движение возмутило орбиты меньших объектов, вызвав катастрофические столкновения и породив короткие периоды, наполненные большим количеством пыли, — похожие на то, что астрономы сейчас наблюдают в экстремальных осколочных дисках.
«Конечно, многое об этих дисках мы всё ещё не знаем, — сказал Аттила Моор из обсерватории Конкоя, соавтор исследования. — Мы ожидаем отсутствие богатых кремнезёмом систем среди более старых экстремальных осколочных дисков. В нашей выборке только три диска соответствуют этому возрастному критерию, так что будет полезно пронаблюдать больше таких систем, чтобы подтвердить нашу гипотезу».
Космический телескоп «Джеймс Уэбб» — ведущая в мире космическая научная обсерватория. «Уэбб» разгадывает загадки в нашей Солнечной системе, заглядывает за её пределы к далёким мирам вокруг других звёзд и исследует таинственные структуры и истоки нашей Вселенной и нашего места в ней. «Уэбб» — международная программа под руководством NASA с партнёрами ESA (Европейское космическое агентство) и CSA (Канадское космическое агентство).
Источники:
sciencedaily.com
Kate Y. L. Su, Attila Moór, Ágnes Kóspál, George H. Rieke, Antranik A. Sefilian, Renu Malhotra, Ilaria Pascucci, Alan P. Jackson, Péter Ábrahám, Nicholas P. Ballering. Extreme Debris Disks: Insights into Violent Collisions in Planet Formation and Destruction. The Astrophysical Journal, 2026; 1010 (1): 1 DOI: 10.3847/1538-4357/ae88fe
Комментарии