Столкновения планетезималей вернули пыль в протопланетный диск

Астрономы нашли объяснение аномальным свойствам распределений пыли и газа в протопланетном диске звезды HD 163296, которые противоречили изначальным теоретическим оценкам. Моделирование позволило качественно и количественно воссоздать наблюдаемую картину, учтя столкновения небольших тел — планетезималей — и гравитационное влияние, которое на них оказывают формирующиеся планеты-гиганты, пишут ученые в статье в The Astrophysical Journal.

Планеты и другие небольшие тела звездных систем формируются в протопланетных дисках из газа и пыли, окружающих молодые звезды. Основным источником материала для роста планет является пыль, то есть микроскопические твердые частицы. Теория предсказывает, что по мере роста планет концентрация пыли должна снижаться.

Новый этап детальных исследований формирующихся планетных систем стал возможен благодаря телескопу ALMA. С его помощью астрономы смогли выяснить структуры дисков у многих звезд, выделив в них кольца, провалы и спиральные узоры. Расчеты показывают, что они связаны с присутствием формирующихся планет, которые после достижения достаточной массы начинают значительно влиять на движение окружающих частиц.

Одной из таких систем является HD 163296, в центре которой расположена звезда в два раза больше Солнца и возрастом около 5 миллионов лет. Вокруг нее расположен массивный диск (около 10 процентов массы Солнца), простирающийся до 500 астрономических единиц, то есть примерно в два раза дальше внешнего края пояса Койпера в Солнечной системе. Распределение промежутков в диске говорит о формировании по крайней мере трех планет-гигантов, которые по массе больше, чем два Нептуна, но меньше Юпитера.

Новые наблюдения на телескопе ALMA показали, что в системе по-прежнему присутствует значительное количество пыли, масса которой превышает 300 земных. В то же время, учитывая заметный возраст диска и наличие трех планет, ученые не ожидали увидеть так много пыли. Более того, теория предсказывает, что этот компонент диска должен постепенно смещаться ближе к звезде, но это движение должно останавливаться при приближении к орбите крупной планеты.

Наблюдения показали, что пыль не только находится между орбитами первой и второй планеты, но и наблюдается внутри орбиты самой близкой к звезде планеты, где астрономы вовсе не ожидали ее заметить. Астрофизики под руководством Диего Туррини (Diego Turrini) из Национального института астрофизики в Италии попытались объяснить эти аномалии с учетом планетезималей, которые обычно не принимают во внимание.

«Из исследований нашей собственной Солнечной системы мы знаем, что проэволюционировавшие околозвездные диски, такие как у HD 163296, состоят не только из газа и пыли, но и из невидимой популяции небольших тел, подобных нашим астероидам и кометам, — говорит Туррини. — Мы также знаем, что возникновение планет-гигантов воздействует на эти планетезимали путем создания в их динамической эволюции короткого, но мощного возмущения. Несмотря на непродолжительность по сравнению с временем жизни планетной системы, длительность этого эффекта может быть сравнима с временем существования околозвездного диска».

Астрономы провели ряд численных моделирований поведения тел с различными свойствами в данной системе. Рост планет ожидаемо привел к хаотизации движения меньших объектов, выбрасывая их на орбиты с большими наклонениями и эксцентриситетами, подобно кометам в Солнечной системе. Основным результатом этого возмущения стала увеличившаяся примерно в сто раз частота столкновений планетезималей на высокой скорости. Такие соударения начали разрушать объекты и приводить к появлению вторичной пыли, распределение которой, однако, отличалось от первоначального. В частности, основными местами появления оказались кольцо между первой и второй планетой, а также область внутри орбиты первой планеты, то есть как раз те места, где обсерватория ALMA заметила аномальные концентрации пыли.

Созданная модель позволяет также сделать ряд выводов о не связанных с пылью процессах в системе. В частности, столкновения планетезималей должны локально нагревать вещество и приводить к появлению спектральных сигналов соединений, которые в отсутствие возмущения находились бы в замороженном виде и не создавали заметного сигнала. К таким веществам относятся вода и угарный газ, которые действительно находили вне их снеговых линий в данной системе.

Еще одним эффектом является нагрев газа движением планетезималей, так как взаимодействие с другими объектами может придать им сверхзвуковые скорости. В результате вещество на значительном отдалении от плоскости диска оказывается нагретым, что также было отмечено в наблюдениях по уширению линий излучения угарного газа.

Современные телескопы позволяют разлядеть протопланетные диски у многих молодых звезд, которые оказываются разной структуры и форм. В частности, ALMA недавно обнаружила протопланетный диск у только что родившейся звезды. Околозвездные диски могут быть интересны не только в контексте астрономии, но и для фундаментальной физики — теоретики предложили с их помощью искать гипотетические сверхлегкие частицы аксионы.

Тимур Кешелава