Група астрономів, яку очолював Сірк ван Тервісґа (Sierk van Terwisga) з Інституту астрономії Макса Планка, проаналізувала розподіл маси у понад 870 дисках з газопилової хмари Оріон А, де відбувається процес формування планет. На підставі статистичних властивостей цієї безпрецедентно великої вибірки дисків та інноваційної схеми обробки даних, яку вони створили, науковці виявили: на великих відстанях від середовищ з суворими умовами, таких як гарячі зорі, зменшення маси дисків залежить лише від їхнього віку. Результати показують — принаймні в межах 1000 світлових років від Землі диски, в яких формуються планети і планетні системи, розвиваються схожим чином.
Деякі з найцікавіших питань в сучасних астрономічних дослідженнях: «Який вигляд мають інші планетні системи?» і «В якій мірі Сонячна система схожа на інші планетні системи?». Група астрономів зробила суттєвий внесок для вирішення цієї поблеми.
«Досі ми не знали напевно, які властивості домінують в еволюції планетних дисків навколо молодих зір», — сказав Сірк ван Тервісґа, науковець з Інституту астрономії Макса Планка в Гейдельберзі, Німеччина. Він є першим автором статті, опублікованої в Astronomy & Astrophysics. «Наші нові результати тепер показують, що в середовищах без будь-якого відповідного зовнішнього впливу спостережувана маса диска, доступна для формування нових планет, залежить лише від віку системи зоря — диск», — додав ван Тервісґа.
Маса диска є головною характеристикою при вивченні еволюції дисків, де утворюються планети. Вона визначає, скільки є речовини з якої відбудеться утворення планет. Залежно від віку диска, він також може дати підказки про планети, які вже є там. Зовнішні ефекти, такі як випромінювання та вітер від сусідніх масивних зір, очевидно, впливають на виживання диска. Однак такі середовища трапляються рідко, і ці процеси мало що розкривають про самі диски. Натомість астрономів більше цікавлять властивості власне диска, такі як вік, хімічний склад або динаміка материнської газопилової хмари, з якої виникли молоді зорі та їхні диски.
Щоб мінімізувати різноманітні зовнішні чинники, що впливають на еволюцію протопланетних дисків, науковці вибрали велику і добре відому ділянку молодих зір з дисками — хмару Оріон А. Вона лежить на відстані приблизно 1350 світлових років від Землі. «Оріон А надала нам можливість отримати безпрецедентно велику вибірку з понад 870 дисків навколо молодих зір. Важливо було мати можливість шукати невеликі варіації маси диска залежно від віку і навіть від локального середовища всередині хмари», — пояснив Альваро Гакар (Álvaro Hacar), співавтор дослідження з Віденського університету в Австрії. Ці об’єкти у свій час спостерігали за допомогою космічного телескопа «Гершель», який давав змогу ідентифікувати диски. Спостережні дані, отримані в кількох довжин хвиль, уможливили сформулювати критерій для оцінки віку дисків. Оскільки всі вони належать до однієї хмари, астрономи очікували незначного впливу на цей параметр хімічного складу хмари та змін, пов’язаних з її історією. Науковці також уникли будь-якого впливу масивних зір із сусіднього скупчення Туманності Оріона (Orion Nebula Cluster, ONC), не взявши до розгляду диски ближче 13 світлових років.
Для вимірювання маси диска наукова група використовувала Велику міліметрову/субміліметрову антену Атакама (Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array, ALMA), розташовану на плато Чайнантор в чилійській пустелі Атакама. ALMA складається з 66 параболічних антен, які функціонують як єдиний телескоп. Вчені застосували режим спостереження, який дозволив їм ефективно спостерігати кожен диск на довжині хвилі близько 1,2 міліметра. Холодні диски яскраві в цьому спектральному діапазоні. З іншого боку, внесок центральних зір незначний. Завдяки такому підходу астрономи визначили пилові маси дисків. Однак спостереження нечутливі до об’єктів, розмір яких значно перевищує кілька міліметрів, наприклад кам’яні брили і планети. Тому науковці ефективно виміряли масу речовини диска з якої формуються планети.
На цьому зображенні показано велечезну хмару Оріон А, де відбувається формування зір. Фото було отримане за допомогою приймача SPIRE (Spectral and Photometric Imaging Receiver, Приймач спектрального та фотометричного зображення), що працював на борту космічного телескопа «ГершелЬ» (Herschel Space Telescope). На зображенні простежено масштабне поширення холодного пилу. Оріон А лежить від Землі на відстані приблизно 1350 світлових років і складається з окремих ділянок утворення зір, які позначено мітками. Показано розташування дисків, де відбувається формування планет (+), які астрономи спостерігали за допомогою ALMA. Натомість диски з масою пилу, що перевищує 100 мас Землі, позначено синіми цятками. Знаменита Туманність Оріона, видима неозброєним оком на небі, містить скупчення Туманності Оріона (Orion Nebula Cluster, ONC). У цьому скупченні є кілька масивних зір, які дають інтенсивне випромінювання. Фото з сайту https://phys.org.
Перш ніж обчислити масу диска, астрономи об’єднали та відкалібрували дані, отримані від кількох десятків окремих антен ALMA. Це завдання досить складне при роботі з великими наборами даних. Використовуючи стандартні методи, обробка зібраних даних зайняла б місяці. Натомість наукова група розробила новий метод із використанням паралельних комп’ютерів. «Наш новий підхід підвищив швидкість обробки в 900 разів», — зазначив співавтор Реймонд Оунк (Raymond Oonk) з колаборації постачальника ІТ-послуг SURF. 3000 CPU-годин, що були потрібні для виконання завдання та підготовки даних для подальшого аналізу, вдалося виконати менше ніж за день.
Загалом Оріон А містить протопланетні диски в яких маса пилу становить до кількох сотень земних мас. Однак із 870 дисків лише 20 містять пил, маса якого еквівалентна 100 землям або більше. Загалом, кількість дисків швидко зменшується з масою, більшість з яких містить менше 2,2 земних мас пилу. «Щоб шукати варіації, ми розглянули хмару Oріон A та проаналізували ці ділянки окремо. Завдяки сотням дисків підвибірки все ще були достатньо великими, щоб дати статистично значущі результати», — пояснив ван Тервісґа.
Справді, науковці виявили незначні варіації в розподілі маси диска на масштабах десятків світлових років в межах Оріон А. Проте ці зміни можна пояснити впливом вікового ефекту — протягом кількох мільйонів років маси дисків мають тенденцію зменшуватися. У межах похибки в масиві дисків, де формуються планети, одного віку чітко простежується однаковий розподіл маси. Зовсім не дивно, що маса пилу в протопланетних дисках зменшується з часом. Адже пил є одним із матеріалів для утворення планет. Отже, формування планет, безумовно, зменшує кількість вільного пилу. Іншими добре відомими процесами є міграція пилу до центра диска та випаровування пилу під дією випромінювання від материнської зорі. Однак, дивно спостерігати таку сильну кореляцію між масою диска та віком.
Усі ці диски утворилися в тому самому середовищі, яке зараз формує хмару Оріон A. Чи відповідають вони іншими молодими популяціями протопланетних дисків? Астрономи розглянули це питання, порівнявши свої результати з даними про кілька сусідніх ділянок утворення зір з дисками, де відбувається утворення планет. За винятком двох, усі вони добре відповідають відношенню маси і віку, виявленому в Оріон А. «Загалом, ми вважаємо, що наше дослідження доводить — принаймні в межах 1000 світлових років або близько цього, всі популяції протопланетних дисків мають схожий розподіл маси у певному віці. І, здається, вони розвиваються більш-менш однаково», — підсумував ван Тервісґа. Результат може навіть натякати на утворення приголомшливо схожих планетних систем.
Далі науковці планують розглядати можливі впливи сусідніх зір у менших масштабах (в межах кількох світлових років). Хоча вони уникали сильного поля випромінювання, спричиненого масивними зорями в ONC, є потенційно слабкіші зірки, які можуть впливати на пил у сусідніх дисках і змінювати статистику маси диска. Такі впливи можуть пояснити деякі відхилення, виявлені у відношенні маси диска до віку. Нові дослідження, як сподіваються науковці, дадуть змогу посилити загальну картину розвитку протопланетного диска, що має більший вік.
За інф. з сайту https://phys.org
