Науковці за допомогою космічного телескопа Джеймса Вебба зробили проривне відкриття, з’ясовуючи, як утворюються планети. Спостерігаючи за водяною парою в протопланетних дисках, «Вебб» підтвердив фізичний процес, що включає дрейф твердих тіл, покритих льодом, із зовнішніх ділянок диска в зону землеподібної планети.

Теорії давно припускають, що крижана галька, яка утворюється в холодних зовнішніх районах протопланетних дисків — тій самій ділянці, де в Сонячній системі містяться ядра комет, — має бути основним «насінням» для формування планет. Основна вимога цих теорій полягає в тому, що камінці мають дрейфувати всередину до зорі через тертя в газовому диску, доставляючи як тверді речовини, так і воду до планет.

Фундаментальне передбачення цієї теорії полягає в тому, що, коли крижана галька потрапляє в теплішу ділянку в межах «снігової лінії» — де лід перетворюється на пару, — вона мусить давати велику кількість холодної водяної пари. Саме це спостерігав «Вебб».

«“Вебб”нарешті виявив зв’язок між водяною парою у внутрішньому диску та дрейфом крижаних камінців із зовнішнього диска», — сказав головний дослідник Андреа Банзатті (Andrea Banzatti) з Університету штату Техас в Сан-Маркос. «Ця знахідка відкриває захопливі перспективи для вивчення формування кам’янистих планет разом із “Веббом”!»

«У минулому ми мали дуже статичну картину формування планет, були ніби майже ізольовані зони, де утворилися планети», — пояснила член команди Колетт Салик (Colette Salyk) з коледжу Вассар у Покіпсі (штат Нью-Йорк). «Тепер ми фактично маємо докази того, що ці зони можуть взаємодіяти одна з одною. Також є припущення, що таке відбулося в Сонячній системі».

Ця графіка — це інтерпретація даних MIRI (Mid-Infrared Instrument) «Вебба», приймача випромінювання середнього інфрачервоного діапазону, який чутливий до водяної пари в дисках. Графіка показує різницю між дрейфом гальки та вмістом води в компактному диску та широкому диску з кільцями і проміжками. У компактному диску (ліворуч), коли вкриті льодом камінці дрейфують у напрямку до теплішої ділянки ближче до зорі, їм ніщо не перешкоджає. Коли вони перетинають снігову лінію, їхній лід перетворюється на пару і забезпечує велику кількість води для збагачення кам’янистих внутрішніх планет, що тільки формуються. Праворуч показано широкий диск з кільцями і зазорами. Коли вкрита льодом галька починає свій шлях усередину, багато з них зупиняються у прогалинах та потрапляють у кільця. Менша кількість крижаних камінців здатна перетнути снігову лінію, щоб доставити воду у внутрішню частину диска. Авторські права на зображення: NASA, ESA, CSA, Джозеф Олмстед (STScI). Фото з сайту https://phys.org.

Використання можливостей «Вебба»

Дослідники застосували MIRI (Mid-Infrared Instrument — Інструмент середнього інфрачервоного діапазону) «Вебба»  для вивчення чотирьох дисків — двох компактних і двох широких — навколо сонцеподібних зір. Вік усіх чотирьох цих зір, за оцінками, становить від 2 до 3 мільйонів років, тобто за космічним часом вони тільки щойно народилися.

Згідно з передбаченнями, в компактних дисках мав бути ефективний дрейф камінців, внаслідок чого вони переміщалися на відстань, еквівалентну орбіті Нептуна. На відміну від цього, за передбаченням, камінці в широких дисках накопичуються в кількох кільцях на відстані до шести орбіт Нептуна.

Спостереження за допомогою «Вебба» були сплановані так, щоб визначити, чи мають компактні диски більшу кількість води у своїй внутрішній ділянці, де зазвичай формуються землеподібні планети. Були передбачення, які вказували: якщо дрейф гальки більш ефективний, то це сприяє доставці великої кількості твердої маси та води до внутрішніх планет. Наукова група вирішила застосувати MIRI MRS (Medium-Resolution Spectrometer — Спектрометр середньої роздільної здатності), оскільки він чутливий до водяної пари в дисках.

Результати підтвердили очікування, виявивши надлишок холодної води в компактних дисках порівняно з великими дисками.

У процесі руху камінці, стикаючись з областю простору зі збільшеним тиском, накопичуються в такому районі. Ці уловлювачі не обов’язково зупиняють дрейф гальки, але вони йому перешкоджають. Це те, що, ймовірно, відбувається у великих дисках з кільцями та проміжками.

Сучасні дослідження показують, що великі планети можуть утворювати кільця підвищеного тиску, де збираються камінці. Таку роль міг мати Юпітер в Сонячній системі, перешкоджаючи гальці та доставці води до наших маленьких, внутрішніх і відносно бідних водою землеподібних планет.

Дворівневі спектральні графіки. На верхньому графіку показано порівняння спектральних даних для теплої та прохолодної води в компактному диску GK Tau з широким диском CI Tau. На нижньому графіку показано дані про надлишок прохолодної води в компактному диску GK Tau мінус дані про прохолодну воду в широкому диску CI Tau. Авторські права на зображення: NASA, ESA, CSA, Джозеф Олмстед (STScI). Фото з сайту https://phys.org.

Розгадування загадки

Коли дані отримали вперше, результати спричинили здивування дослідницької групи. «Протягом двох місяців ми зациклювалися на цих попередніх результатах, які вказували на те, що вода в компактних дисках холодніша, а у великих дисках — гарячіша», — згадує Банзатті. «Цей аналіз не мав сенсу, бо ми обрали зорі з дуже схожими температурами».

Лише коли Банзатті наклав дані з компактних дисків на дані з великих дисків, з’явилася чітка відповідь: компактні диски мають надзвичайно прохолодну воду прямо всередині зони з лінією снігу, приблизно вдесятеро ближче, ніж орбіта Нептуна.

«Тепер ми нарешті однозначно бачимо, що є надлишок холоднішої води», — сказав Банзатті. «Це безпрецедентно і цілком завдяки вищій роздільній здатності “Вебба”».

Результати науковці опубліковані в The Astrophysical Journal Letters.

За інф. з сайту https://phys.org