Зіткнення планетезималей повернули пил у протопланетний диск

Астрономи знайшли пояснення аномальним властивостям розподілів пилу і газу в протопланетному диску зірки HD 163296, які суперечили початковим теоретичним оцінкам. Моделювання дозволило якісно і кількісно відтворити спостережувану картину, врахувавши зіткнення невеликих тіл - планетезималей - і гравітаційний вплив, який на них роблять планети-гіганти, пишуть вчені в статті в.

Планети та інші невеликі тіла зоряних систем формуються в протопланетних дисках з газу і пилу, що оточують молоді зірки. Основним джерелом матеріалу для зростання планет є пил, тобто мікроскопічні тверді частинки. Теорія пророкує, що в міру зростання планет концентрація пилу повинна знижуватися.

Новий етап детальних досліджень формованих планетних систем став можливий завдяки телескопу ALMA. З його допомогою астрономи змогли з'ясувати структури дисків у багатьох зірок, виділивши в них кільця, провали і спіральні візерунки. Розрахунки показують, що вони пов'язані з присутністю формованих планет, які після досягнення достатньої маси починають значно впливати на рух навколишніх частинок.

Однією з таких систем є HD 163296, в центрі якої розташована зірка вдвічі більше Сонця і віком близько 5 мільйонів років. Навколо неї розташований масивний диск (близько 10 відсотків маси Сонця), що простягається до 500 астрономічних одиниць, тобто приблизно в два рази далі зовнішнього краю пояса Койпера в Сонячній системі. Розподіл проміжків у диску говорить про формування принаймні трьох планет-гігантів, які за масою більше, ніж два Нептуни, але менше Юпітера.

Нові спостереження на телескопі ALMA показали, що в системі як і раніше присутня значна кількість пилу, маса якої перевищує 300 земних. Водночас, враховуючи помітний вік диска і наявність трьох планет, вчені не очікували побачити так багато пилу. Більш того, теорія передбачає, що цей компонент диска повинен поступово зміщуватися ближче до зірки, але цей рух повинен зупинятися при наближенні до орбіти великої планети.

Спостереження показали, що пил не тільки знаходиться між орбітами першої і другої планети, але і спостерігається всередині орбіти найближчої до зірки планети, де астрономи зовсім не очікували її помітити. Астрофізики під керівництвом Дієго Турріні (Diego Turrini) з Національного інституту астрофізики в Італії спробували пояснити ці аномалії з урахуванням планетезималей, які зазвичай не беруть до уваги.

"З досліджень нашої власної Сонячної системи ми знаємо, що проеволюціонували навколозвїзні диски, такі як у HD 163296, складаються не тільки з газу і пилу, але і з невидимої популяції невеликих тіл, подібних нашим астероїдам і кометам, - говорить Турріні. - Ми також знаємо, що виникнення планет-гігантів впливає на ці планетезималі шляхом створення в їх динамічній еволюції короткого, але потужного обурення. Незважаючи на нетривалість у порівнянні з часом життя планетної системи, тривалість цього ефекту може бути порівнянна з часом існування навколозвїзного диска ".

Астрономи провели ряд численних моделювань поведінки тіл з різними властивостями в даній системі. Зростання планет очікувано призвело до хаотизації руху менших об'єктів, викидаючи їх на орбіти з великими нахилами і ексцентриситетами, подібно кометами в Сонячній системі. Основним результатом цього обурення стала частота зіткнень планетезималів на високій швидкості, що збільшилася приблизно в сто разів. Такі ударіння почали руйнувати об'єкти і призводити до появи вторинного пилу, розподіл якого, однак, відрізнявся від початкового. Зокрема, основними місцями появи виявилися кільце між першою і другою планетою, а також область всередині орбіти першої планети, тобто якраз ті місця, де обсерваторія ALMA помітила аномальні концентрації пилу.

Створена модель дозволяє також зробити ряд висновків про не пов'язані з пилом процеси в системі. Зокрема, зіткнення планетезималей повинні локально нагрівати речовину і призводити до появи спектральних сигналів сполук, які за відсутності обурення перебували б у замороженому вигляді і не створювали помітного сигналу. До таких речовин належать вода і чадний газ, які дійсно знаходили поза їхніми сніговими лініями в цій системі.

Ще одним ефектом є нагрів газу рухом планетезималей, оскільки взаємодія з іншими об'єктами може надати їм надзвукові швидкості. В результаті речовина на значному віддалі від площини диска виявляється нагрітою, що також було відзначено в спостереженнях з уширення ліній випромінювання чадного газу.

Сучасні телескопи дозволяють роздивитися протопланетні диски у багатьох молодих зірок, які виявляються різною структурою і формами. Зокрема, ALMA нещодавно виявила протопланетний диск у зірки, яка щойно народилася. Навколозвїзні диски можуть бути цікаві не тільки в контексті астрономії, але і для фундаментальної фізики - теоретики запропонували з їх допомогою шукати гіпотетичні надлегкі частинки аксіони.