Сейчас мы наблюдаем, как вокруг сотен молодых звезд формируются диски, формирующие планеты. Что он нам говорит?

Наша солнечная система похожа на другие солнечные системы? Как выглядят другие системы? Из исследований экзопланет мы знаем, что во многих других системах есть горячие экзопланеты, огромные газовые гиганты, вращающиеся вокруг своих звезд. Это нормально и наша Солнечная система снаружи?

Один из способов ответить на эти вопросы — изучить диски, формирующие планеты вокруг молодых звезд, чтобы увидеть, как они развиваются. Но изучение большой выборки этих систем — единственный способ получить ответ. Именно это и сделала группа астрономов, изучив 873 протопланетных диска.

Масса — ключевой момент в новом исследовании дисков, составляющих планету. Масса диска определяет, сколько материи доступно для формирования планет. Измеряя массу дисков вокруг молодых звезд, астрономы могут ограничить общую массу планет, которые могут образоваться там, и стать на шаг ближе к пониманию структуры Солнечной системы.

Удалите всю рекламу во Вселенной сегодня

Присоединяйтесь к Patreon всего за 3 доллара!

Получите опыт без рекламы на всю жизнь

Новое исследование называется «Обзор дисков Ориона с помощью ALMA (SODA): I. Демография 873 протопланетных дисков на уровне облаков». Опубликовано в Журнале астрономии и астрофизики, ведущий автор — Цирк ван Теросга, ученый из Астрономического института Макса Планка в Гейдельберге, Германия.

«До сих пор мы точно не знали, какие характеристики преобладают в эволюции дисков, образующих планеты вокруг молодых звезд», — сказал Ван Теросга в пресс-релизе. «Наши новые результаты теперь показывают, что в средах без какого-либо соответствующего внешнего воздействия наблюдаемая масса диска, доступная для образования новых планет, зависит исключительно от возраста звездной дисковой системы».

Масса пыли не просто говорит астрономам, из какой массы планет может состоять диск. В зависимости от возраста диска он также может подсказать астрономам, какие планеты образовались на самом деле.

Но есть и другие факторы, влияющие на массу диска, и эти факторы различаются от диска к диску. Такие вещи, как звездный ветер и излучение ближайших звезд за пределами диска, также могут влиять на массу. Как исследователи могли выделить эти эффекты в такой большой выборке?

Они сосредоточились на хорошо известной области протопланетных дисков, называемой облаком Ориона А, которая является частью Комплекса молекулярных облаков Ориона (OMCC). OMCC расположен примерно в 1350 световых годах от нас и является домом для хорошо изученной туманности Ориона, которую могут увидеть даже астрономы-любители.

Космический телескоп Гершель сделал это изображение гигантского облака Ориона.  Он отслеживает повсеместное распространение холодной пыли.  Орион А находится на расстоянии около 1350 световых лет и состоит из отдельных областей звездообразования, на которые указывают их метки.  Расположение дисков формирования планет (+), наблюдаемых с помощью ALMA, указано, а диски с массой пыли, превышающей эквивалент 100 масс Земли, показаны синими точками.  В знаменитой туманности Ориона, видимой невооруженным глазом на небе, находится скопление туманности Ориона (ONC), включающее множество массивных звезд, излучающих интенсивное излучение.  Фото: SE van Terwisga et al./MPIA
Космический телескоп Гершель сделал это изображение гигантского звездообразующего облака Ориона А. Он отслеживает повсеместное распространение холодной пыли. Орион А находится на расстоянии около 1350 световых лет и состоит из отдельных областей звездообразования, на которые указывают их метки. Указаны местоположения дисков формирования планет (+), наблюдаемых с помощью ALMA, в то время как диски, содержащие пыль массой более 100 масс Земли, показаны синими точками. В знаменитой туманности Ориона, видимой невооруженным глазом на небе, находится скопление туманности Ориона (ONC), включающее множество массивных звезд, излучающих интенсивное излучение. Фото: SE van Terwisga et al./MPIA

Альваро Хакар — соавтор исследования и ученый из Венского университета, Австрия. «Орион А предоставил нам беспрецедентно большую выборку из более чем 870 дисков вокруг молодых звезд», — сказал Хакар. «Необходимо было иметь возможность искать небольшие различия в массе диска в зависимости от возраста и даже от локальных сред в облаке».

Это хороший пример, поскольку все диски принадлежат одному и тому же облаку. Это означает, что их химический состав однороден, и все они имеют одинаковую историю. В близлежащем туманном скоплении Ориона (ONC) есть несколько массивных звезд, которые могут влиять на другие диски, поэтому команда отклонила все диски в Орионе А ближе, чем 13 световых лет к ONC.

Измерить массу всех этих дисков было сложно. Команда использовала большой миллиметровый/субмиллиметровый массив Atacama (ALMA) для наблюдения за пылью. ALMA можно настроить на разные длины волн, поэтому команда отметила маленькие диски с длиной волны 1,2 мм. На этой длине волны пыль яркая, а звезда тусклая, что помогает устранить влияние звезды в каждом диске. Поскольку наблюдения на расстоянии 1,2 мм делают наблюдения нечувствительными к объектам размером более нескольких миллиметров — например, к уже сформировавшимся планетам, — измерения команды измеряли только доступную пыль для образования новых планет.

Это художественное впечатление показывает, как выглядят диски формирования планет вокруг молодых звезд.  Первоначально он состоит из пыли и газа, образующихся в кольцах из плотного вещества.  Со временем твердые компоненты превращаются в гальку, которая в конечном итоге может превратиться в планеты.  Поскольку наблюдения ALMA, используемые в этом исследовании, чувствительны только к пылинкам миллиметрового размера, передовые диски с более крупными телами или даже планетами дают относительно слабый сигнал остаточного материала.  Новые данные свидетельствуют о том, что без воздействия внешнего излучения эти диски развиваются одинаково.  Примерно через миллион лет большинству из них не хватило массы для образования планет размером с Юпитер.  Однако такие планеты могли там уже образоваться.  Кредит изображения: Графический отдел MPIA
Это художественное впечатление показывает, как выглядят диски формирования планет вокруг молодых звезд. Первоначально он состоит из пыли и газа, образующихся в кольцах из плотного вещества. Со временем твердые компоненты превращаются в гальку, которая в конечном итоге может превратиться в планеты. Поскольку наблюдения ALMA, используемые в этом исследовании, чувствительны только к пылинкам миллиметрового размера, передовые диски с более крупными телами или даже планетами дают относительно слабый сигнал остаточного материала. Новые данные свидетельствуют о том, что без воздействия внешнего излучения эти диски развиваются одинаково. Примерно через миллион лет большинству из них не хватило массы для образования планет размером с Юпитер. Однако такие планеты могли там уже образоваться.
Кредит изображения: Графический отдел MPIA

Измерение пыли без помех от звезд было одним препятствием, но исследователи столкнулись с другим: данными.

Подробное исследование примерно 900 протопланетных дисков дает много данных, и все эти данные должны быть обработаны, прежде чем они смогут иметь какой-либо коллективный смысл. Если бы команда полагалась на существующие методы, на обработку всех этих данных ушло бы около шести месяцев. Вместо этого они разработали собственный способ обработки данных с использованием параллельной обработки. То, что заняло бы месяцы, заняло меньше дня. «Наш новый подход повысил скорость обработки в 900 раз», — сказал соавтор Рэймонд Онк.

Когда они обработали данные, исследователи обнаружили, что большинство дисков содержало только 2,2 земной массы пыли. Только 20 из 900 дисков содержали достаточно пыли для 100 или более планет Земли. «Чтобы найти различия, мы расчленили облако Ориона А и проанализировали эти регионы по отдельности. Благодаря сотням дисков подвыборки все еще были достаточно большими, чтобы давать статистически значимые результаты», — пояснил ван Теройся.

Исследователи обнаружили некоторое несоответствие массы дисковой пыли в разных регионах Ориона А, но различия были незначительными. По мнению авторов, разница может объясняться возрастом. По мере старения дисков масса диска уменьшается, и группы дисков одного возраста имеют одинаковое распределение массы. «Нужно подчеркнуть, что различия между этими группами, расположенными далеко друг от друга на небе, малы и не очень значительны по отношению друг к другу и по полю даже в крайних случаях», — пишут авторы в статье .

На этом рисунке из исследования показаны шесть групп дисков с малой массой и низкой плотностью.  Несмотря на их широкое распространение в Орионе А, диски демонстрируют ту же связь между массой и возрастом.  Изображение предоставлено: SE van Terwisga et al.  2022.
На этом рисунке показаны шесть групп YSO с низкой массой и низкой плотностью, участвовавших в исследовании. Несмотря на их широкое распространение в Орионе А, диски демонстрируют ту же связь между массой и возрастом. Изображение предоставлено: SE van Terwisga et al. 2022.

Ожидается, что его пылевая масса будет уменьшаться по мере старения дисков. Планетарный состав объясняет большую часть этого упадка: то, что когда-то было пылью, превращается в планеты. Но есть и другие эффекты, которые также способствуют уносу пыли. Пыль может двигаться к центру диска, а излучение родительской звезды может испарять пыль. Но это исследование усиливает связь между возрастом и потерей пыли.

Могут ли результаты этого исследования быть применимы к другим скоплениям молодых звездных дисков? Авторы сравнили свои результаты по Ориону А с несколькими соседними областями звездообразования с небольшими дисками. Большинство, но не все, соответствуют возрастной потере массы, наблюдаемой в Орионе А. «В целом, мы считаем, что наше исследование демонстрирует, что, по крайней мере, в течение следующей тысячи световых лет или около того все созвездия планетообразующих дисков показывают одинаковую картину. массовое распространение в данном возрасте. «Кажется, они развиваются примерно одинаково», — сказал Ван Теросга.

У исследователей есть еще работа, которую они хотели бы сделать. Они изучат эффект, который молодые звезды могут иметь в меньшем масштабе в несколько световых лет. В этом исследовании они избегали эффекта, который массивные звезды в ONC могли оказывать на соседние диски. Но фоновые звезды меньшего размера все еще могут влиять на диски и объяснять некоторые небольшие различия в соотношении возраста и массы.

Возраст звезды и ее диска, химические свойства и динамика исходного облака в сочетании с массой дают более четкую картину появления Солнечной системы на диске. Астрономы не могут взять такие данные и предсказать, какие планеты могут образоваться в той или иной солнечной системе. Примечательно, однако, что связь между возрастом диска и массой диска сильна даже для таких больших структур, как Орион А.

Авторы приходят к выводу, что «удивительно однородные характеристики образцов дисков одного возраста являются удивительным открытием», и их результаты подтверждают то, на что указывали предыдущие исследования и опросы. “Теперь, однако, мы можем показать, что это относится к большему количеству кластеров YSO и YSO, которые формируются в хорошо разделенных частях одного и того же гигантского облака. Впервые беспрецедентный размер образца диска SODA (Scan Orion диски с Альмой) позволяет нам усилить влияние возрастных градиентов и скоплений в одной области звездообразования».

более:

Leave a Comment