Российские астрономы недосчитались гравитационно неустойчивых протопланетных дисков

Астрономы из Санкт-Петербургского государственного университета определили, что среди известных протопланетных дисков необычно мало гравитационно неустойчивых систем по сравнению с теоретическими предсказаниями. Это может быть связано с заниженными массами дисков, недостатками наблюдений или же с тем, что массивные системы действительно редки. Статья опубликована в журнале Astronomy Reports.

Планеты могут рождаться в протопланетных дисках у молодых звезд за счет аккреции вещества диска на твердое ядро или за счет гравитационной неустойчивости. В последнем случае диск фрагментируется на плотные сгустки, и они сжимаются под действием собственной гравитации, которая превосходит центробежную силу и давление газа. То, какой из механизмов будет преобладать, зависит от массы, температуры и металличности диска, а их результатом будут разные типы экзопланет. В частности, появление экзогигантов на широких орбитах можно объяснить гравитационными неустойчивостями в протопланетных дисках. 

Сергей Хайбрахманов (S. A. Khaibrakhmanov) и Софья Дробчик (S. A. Drobchik) из Санкт-Петербургского государственного университета опубликовали результаты оценки распространенности гравитационно неустойчивых протопланетных дисков. Выборка включала в себя 1155 дисков из областей звездообразования Змеи, Комплекса Волка, Змееносца L 1688, Тельца — Возничего, Хамелеона I, Южной Короны и Верхнего Скорпиона. Хозяевами дисков были как коричневые карлики (0,01 массы Солнца) так и звезды с массами вплоть до 12 масс Солнца, а их возраст колебался от полумиллиона лет до почти 10 миллионов лет. Удаленность систем от Солнца менялась от около 450 до 1400 световых лет.

Критерием гравитационной устойчивости диска выступает параметр Тумре, который зависит от массы и радиуса диска, а также массы звезды. Лишь для 14 систем из выборки этот параметр оказался меньше единицы, что говорит о гравитационной неустойчивости, еще 20 дисков оказались в переходной области — для них параметр Тумре находится в диапазоне между 1 и 2. Средняя масса стабильных дисков оценивается в 3,4 × 10^–3 массы Солнца, дисков в переходной области — 6,8 × 10^–2 массы Солнца, а неустойчивых — 2,6 × 10^–1 массы Солнца. Больше всего в выборке оказалось маломассивных дисков, а систем с массами около 0,1–1 масса Солнца наблюдается мало. 

По расчетам ученых, если соотношение массы диска к родительской звезде больше 0,132, то он становится неустойчивым, что согласуется с теоретическим значением на уровне 0,01. Неустойчивые диски часто обладают спиральными рукавами, диски в переходной области — ярко выраженными кольцами, что также согласуется с теоретическими моделями. Однако доля неустойчивых систем в выборке оказывается почти на пару порядков меньше, чем ожидалось. Исследователи предполагают, что это может быть связано с тем, что неустойчивые диски обычно массивны, и это редкое явление. Кроме того, массы многих дисков могут быть заниженными, существует неопределенность и в точных оценках их радиусов. Не исключается и недостатки методик наблюдений, например, в данных радиотелескопа ALMA чаще встречаются более массивные или запыленные диски.

Гравитационная нестабильность помогает рождаться не только экзопланетам, но и звездам в кратных системах — такое явление наблюдал радиотелескоп ALMA.