Планетообразующие диски эволюционируют удивительно похожим образом

    Результаты показывают, что по крайней мере в пределах 1000 световых лет от Земли диски и планетные системы, формирующие планеты, развиваются сходным образом.

    Некоторые из самых волнующих вопросов в современных астрономических исследованиях: «Как выглядят другие планетные системы?» и «Насколько Солнечная система сопоставима с другими планетными системами?» Команда астрономов внесла решающий вклад в решение этой загадки.

    «До сих пор мы не знали наверняка, какие свойства доминируют при эволюции дисков, образующих планеты вокруг молодых звезд», — говорит Зирк ван Тервисга, ученый из Астрономического института Макса Планка в Гейдельберге, Германия. Он является ведущим автором основной исследовательской статьи, опубликованной в журнале Astronomy & Astrophysics. «Наши новые результаты теперь показывают, что в средах без какого-либо соответствующего внешнего воздействия наблюдаемая масса диска, доступная для формирования новых планет, зависит только от возраста системы звездного диска».

    Масса диска - ключевое свойство при изучении эволюции дисков, образующих планеты. Это количество определяет, сколько материала доступно для преобразования в планеты. В зависимости от возраста диска он также может дать подсказки о уже присутствующих там планетах. Внешние эффекты, такие как излучение и ветры от близлежащих массивных звезд влияют на выживание диска. Такие среды встречаются редко, и эти процессы мало что говорят о самих дисках. Вместо этого астрономов больше интересуют свойства внутреннего диска, такие как возраст, химический состав или динамика облака, из которой возникли молодые звезды с их дисками.

    Чтобы распутать различные вклады, команда астрономов выбрала большую и хорошо известную область молодых звезд с дисками, облако Ориона А. Она находится примерно в 1350 световых годах от Земли. «Орион А предоставил нам беспрецедентно большую выборку из более чем 870 дисков вокруг молодых звезд. Было крайне важно получить возможность искать небольшие изменения в массе диска в зависимости от возраста и даже от локальной среды внутри облака», — объясняет Альваро Хакар, соавтор и ученый из Венского университета, Австрия. Образец получен из более ранних наблюдений с помощью космического телескопа Гершель, которые позволили идентифицировать диски. Объединение нескольких длин волн дало критерий для оценки их возраста. Поскольку все они принадлежат к одному и тому же облаку, астрономы ожидали, что химический состав и изменения в истории окажут незначительное влияние. Они также избежали столкновения с массивными звездами в соседнем скоплении туманности Ориона (ONC), отбрасывая диски, расположенные ближе 13 световых лет.

    Для измерения массы диска команда использовала Атакамскую большую решётку миллиметрового диапазона (ALMA), расположенную на плато Чахнантор в чилийской пустыне Атакама. ALMA состоит из 66 параболических антенн, функционирующих как единый телескоп с регулируемым угловым разрешением. Ученые применили режим наблюдения, позволивший эффективно нацеливаться на каждый диск на длине волны около 1,2 миллиметра. Холодные диски яркие в спектральном диапазоне. С другой стороны, вклад центральных звезд пренебрежимо мал. При таком подходе астрономы определили массу пыли дисков. Но наблюдения нечувствительны к объектам, намного превышающим несколько миллиметров, например, камни и планеты. Поэтому команда эффективно измерила массу материала диска, способного образовывать планеты.

    Прежде чем рассчитать массы дисков, астрономы объединили и откалибровали данные нескольких десятков телескопов ALMA. Эта задача становится довольно сложной при работе с большими наборами данных. При использовании стандартных методов обработка собранных данных заняла бы месяцы. Вместо этого команда разработала новый метод с использованием параллельных компьютеров. «Наш подход повысил скорость обработки в 900 раз», — отмечает соавтор Рэймонд Унк. 3000 процессорных часов, необходимых для завершения задачи и подготовки данных для последующего анализа, прошли менее чем за сутки.

    В целом Орион А содержит диски, формирующие планеты, каждый из которых содержит пыль массой до нескольких сотен масс Земли. Из 870 дисков только 20 содержат пыль, эквивалентную 100 или более Землям. В целом количество дисков быстро уменьшается с увеличением массы, причем большинство из них содержит менее 2,2 земных масс пыли. «Чтобы найти вариации, мы расчленили облако Ориона А и проанализировали регионы по отдельности. Благодаря сотням дисков подвыборки все еще были достаточно большими, чтобы давать статистически значимые результаты», — объясняет ван Тервисга.

Ученые обнаружили незначительные вариации в распределении массы диска в масштабе десятков световых лет внутри Ориона А. Тем не менее, все они могут быть объяснены возрастным эффектом, означающим, что в течение нескольких миллионов лет дисковая масса имеет тенденцию уменьшаться в сторону более старшего населения. В пределах погрешности скопления планетообразующих дисков одного возраста демонстрируют одинаковое распределение масс. Совсем не удивительно, что масса пыли в дисках, формирующих планеты, со временем уменьшается. Ведь пыль — это один из сырьевых материалов для планет. Следовательно, формирование планет, безусловно, уменьшает количество свободной пыли. Другими хорошо известными процессами являются миграция пыли к центру диска и испарение пыли под действием излучения звезды. Тем не менее, удивительно видеть такую сильную корреляцию между массой диска и возрастом.

    Все диски возникли из той же среды, которая сейчас составляет облако Ориона A. Как это соотносится с другими молодыми популяциями звездного диска? Астрономы ответили на этот вопрос, сравнив результаты с несколькими близлежащими областями звездообразования с дисками формирования планет. За исключением двух, все они соответствуют соотношению массы и возраста, найденному в Орионе А. «В целом, мы считаем, что наше исследование доказывает, что в течение следующих 1000 световых лет или около того, все популяции дисков, формирующих планеты, демонстрируют одинаковые массовое распространение в данном возрасте. И они развиваются более или менее одинаково», — заключает ван Тервисга. Результат может даже намекнуть на формирование поразительно похожих планетных систем.