Планетарные диски представляют собой вращающиеся вокруг молодых звёзд структуры из газа и пыли, которые играют ключевую роль в процессе формирования планетных систем, включая нашу Солнечную систему. Астрономы обнаружили новые детали в газовых потоках, которые со временем формируют эти диски. Наблюдаемая вложенная структура газовых потоков подтверждает давно предполагаемый механизм, позволяющий звезде расти за счёт материала диска.
Каждую секунду во Вселенной рождается более 3000 звёзд. Многие из них окружены протопланетными дисками – вращающимися «блинами» из горячего газа и пыли, которые обеспечивают рост центральной звезды и являются строительными блоками для новых планет. Однако точные процессы, приводящие к образованию звёзд и планетных систем, всё ещё плохо изучены.
Зачем JWST подробно рассматривает ветры протопланетных дисков
Группа астрономов под руководством исследователей из Университета штата Аризона и при поддержке учёных из Института астрономии Общества Макса Планка (MPIA) в Гейдельберге, Германия, использовала космический телескоп имени Джеймса Уэбба (JWST) для получения наиболее подробного представления о силах, формирующих протопланетные диски. Наблюдения дают представление о том, как могла выглядеть наша Солнечная система 4,6 миллиарда лет назад.
В частности, команда смогла проследить с беспрецедентной детализацией так называемые дисковые ветры. Эти ветры представляют собой потоки газа, уносящиеся из планетообразующего диска в космос. Питаемые магнитными полями, онимогут преодолевать десятки километров всего за одну секунду.
По словам ведущего автора статьи, профессора Иларии Паскуччи из Лаборатории лунных и планетарных наук Аризонского университета, одним из важнейших процессов, происходящих в протопланетном диске, является аккреция – поглощение звездой вещества этого диска.
«То, как звезда наращивает массу, оказывает большое влияние на эволюцию окружающего диска с течением времени, включая то, как позже формируются планеты», – сказал Паскуччи. «Конкретные способы, которыми это происходит, не изучены, но мы думаем, что очень важную роль могу играть ветры, приводимые в движение магнитными полями на большей части поверхности диска».
Ветры намагниченного диска способствуют росту звёзд
Молодые звёзды растут, притягивая газ из вращающегося вокруг них диска, но для этого газ должен сначала частично утратить свою инерцию. В противном случае газ постоянно вращался бы вокруг звезды и никогда не упал бы на неё. Астрофизики называют этот процесс «потерей углового момента», но как именно это происходит, до сих пор неясно.
Чтобы лучше понять, как работает момент импульса в протопланетном диске, представьте фигуристку на льду: если она прижмёт руки к телу, то будет вращаться быстрее, а если вытянет их, то вращение замедлится. Поскольку её масса не меняется, момент импульса остаётся прежним.
Чтобы произошла аккреция, газ, находящийся в диске, должен потерять угловой момент. Тем не менее, астрофизикам трудно прийти к единому мнению о том, как именно это происходит. В последние годы выяснилось, что магнитные ветры, исходящие из диска, играют важную роль, унося часть газа с поверхности диска, а вместе с ним уменьшают и угловой момент, что позволяет оставшемуся газу двигаться внутрь и в конечном итоге падать на звезду.
Как отличить механизмы ветра
Поскольку другие процессы также формируют протопланетные диски, важно уметь различать эти явления.
В то время как магнитное поле звезды выталкивает материал на внутренний край диска в под действием процесса, который астрономы называют рентгеновским ветром, внешние части диска размываются интенсивным звёздным светом, в результате чего возникают так называемые тепловые ветры, которые дуют с гораздо меньшими скоростями. Высокая чувствительность и разрешение JWST идеально подходили для выявления ветра, обусловленного магнитным полем, теплового и рентгеновского ветра.
Важнейшим свойством, отличающим магнитные ветры от рентгеновского ветра, является то, что они расположены дальше и охватывают более широкие регионы, включая внутренние каменные планеты нашей Солнечной системы – примерно между Землёй и Марсом. Эти ветры также распространяются дальше над диском, чем тепловые, достигая расстояния, в сотни раз превышающего расстояние между Землёй и Солнцем.
«Мы уже обнаружили признаки такого ветра в ходе интерферометрических наблюдений на радиоволнах», – отмечает астроном MPIA Дмитрий Семёнов, который также является соавтором исследования. Однако эти наблюдения не могли охватить всю морфологию ветра в диске, не говоря уже о том, чтобы детально его изобразить. В частности, вложенная структура различных компонентов, характерная для таких ветров в диске, была за пределами возможностей наблюдений. Напротив, новые наблюдения JWST без каких-либо сомнений выявили эту структуру. Наблюдаемая морфология соответствует ожиданиям относительно магнитного ветра в диске.
«Наши наблюдения убедительно свидетельствуют о том, что мы получили первые подробные изображения ветров, которые могут понижать угловой момент и решать давнюю проблему формирования звёзд и планетных систем», – сказал Паскуччи.
Для своего исследования учёные выбрали четыре системы протопланетных дисков, которые при наблюдении с Земли выглядят как бы повёрнутыми к нам ребром. Их ориентация позволила пыли и газу в диске действовать как маске, блокирующей часть света яркой центральной звезды.
NIRSpec от JWST разрешает морфологию вложенных ветров
Команда смогла отследить различные слои ветра, настроив детектор NIRSpec JWST на отдельные атомы и молекулы в определённых переходных состояниях. NIRSpec – спектрограф ближнего инфракрасного диапазона высокого разрешения от JWST. Астрономы получили спектральную информацию с пространственным разрешением по всему полю зрения, используя прибор Integral Field Unit (IFU). Таким образом, учёные синтезировали изображения на различных длинах волн, каждое из которых было сравнительно грубым, но всё же достаточно хорошим для определения морфологии.
Наблюдения выявили сложную трёхмерную структуру центральной струи, вложенной в конусообразную оболочку ветров, возникающих на постепенно увеличивающихся расстояниях от диска, похожую на слоистую структуру луковицы. По словам исследователей, важным новым открытием стало последовательное обнаружение ярко выраженного центрального отверстия внутри конусов, образованного молекулярными ветрами в каждом из четырёх дисков.
Далее команда Паскуччи надеется распространить эти наблюдения на большее количество протопланетных дисков, чтобы лучше понять, насколько распространены наблюдаемые структуры дисковых ветров во Вселенной и как они развиваются.
«Мы считаем, что они могут быть обычным явлением, но всего по четырём объектам это сложно сказать», – сказал Паскуччи. «Мы хотим получить более крупную выборку с помощью JWST, а затем также посмотреть, сможем ли мы обнаружить изменения в этих ветрах по мере роста звёзд и формирования планет».
