Читая между колец: астрономы нашли способ взвешивать невидимые планеты

Как взвесить планету, которую не видно с расстояния в многие световые годы? Астрономы, похоже, нашли ответ — и он заключается в «чтении между колец»: тех самых ярких, прекрасных пылевых структур, которые новорожденные экзопланеты создают вокруг своих молодых звезд.

Планеты вообще рождаются из пыли, газа и крошечных фрагментов, называемых «планетезималями», которые окружают молодые звезды. В результате в своей относительной юности эти миры всё еще находятся погруженными в этот материал, кружащийся в дискообразных структурах, именуемых протопланетными дисками. Однако недавние наблюдения показали, что, вращаясь вокруг родительских звезд, юные экзопланеты также прорезают в этом газопылевом диске отчетливые дорожки.

Если раньше такие кольца использовались лишь для подтверждения присутствия экзопланет у звезд, то новое исследование предлагает способ применить эти бороздки для оценки самих характеристик экзопланет.

«Мы давно понимали, что кольца могут образовываться из концентрированной пыли, скапливающейся сразу за орбитой молодых, погруженных в диск планет, но до сих пор нам не удавалось связать особенности этих колец с массами планет, — пояснила в заявлении руководитель группы Амена Фаруки из Группы астрономии и астрофизики Уорикского университета в Великобритании. — Читая "между колец", мы нашли способ восстанавливать массы планет, которые эти кольца создают, даже когда сами планеты слишком тусклые или слишком сильно погружены в вещество диска, чтобы наблюдать их напрямую».

«Эти яркие кольца — не просто красивые структуры; по сути, это планетарные отпечатки пальцев», — добавила она.

Расследование в пыльной звездной системе

Первый шаг, предпринятый Фаруки и ее коллегами, заключался в использовании компьютерного моделирования, чтобы оценить, как массы экзопланет создают отчетливые формы колец в протопланетных дисках. Они обнаружили, что ширина пылевых колец и местоположение самой яркой точки в этом кольце являются ключом к оценке характеристик скрытых экзопланет.

Примечательно, что взаимосвязь между массой планеты и пиковой яркостью создаваемого ею пылевого кольца сохраняется независимо от того, в какой длине волны света наблюдается система, а также независимо от размера пылевых зерен в кольце. Это означает, что астрономам не нужно знать точные условия вокруг молодой звезды, чтобы оценить массу ее экзопланет.

Ученые проверили свою новую технику, применив ее к планетной системе PDS 70, расположенной примерно в 370 световых годах от нас. Эту систему астрономы изучали с помощью Атакамской большой антенной решетки миллиметрового диапазона (ALMA) — комплекса из 66 радиоантенн, расположенного на севере Чили.

«Одна из сильных сторон этой работы в том, что она не остается в области теории — мы смогли взять результаты моделирования и применить их непосредственно к реальным наблюдаемым системам», — заявила Джессика Спиди из Массачусетского технологического института. «Использование системы PDS 70 в качестве наблюдательной лаборатории позволило провести настоящую верификацию подхода, придав нам уверенности в том, что эти методы действительно готовы к широкому применению в самое ближайшее время».

PDS 70 оказалась полезным объектом для тестирования, поскольку обладает по меньшей мере двумя экзопланетами, PDS 70 b и PDS 70 c, которые были непосредственно сфотографированы. Метод дал оценку массы для PDS 70 c, согласующуюся с текущими представлениями — около 7,5 массы Юпитера. Результаты команды также принесли несколько неожиданных открытий относительно процессов планетообразования и поставили вопросы, на которые астрономы будут стремиться ответить.

«Еще один поразительный результат моделирования заключается в том, что в типичных дисках более массивные формирующиеся планеты могут захватывать до 20 масс Земли пыли внутри этих колец, — отметил Ральф Пудриц с факультета физики и астрономии Университета Макмастера. — Это подтверждает наблюдения ALMA, но поднимает вопрос: почему в захваченной пыли и гальке кольца не было обнаружено новых планет?»

«Наши результаты показывают, что пыль достаточно обильна и сконцентрирована, чтобы потенциально запустить формирование планет. Это важное открытие, которое послужит толчком к дальнейшим наблюдениям и теоретическим исследованиям», — добавил он.

В конечном счете, эта новая техника и ее способность изучать молодые планетные системы могут также помочь нашему пониманию того, как около 4,6 миллиарда лет назад сформировалась наша собственная планетная система.

«Больше всего меня воодушевляет своевременность. ALMA предоставляет всё более детализированные изображения дисков, а на горизонте — новые инструменты будущего; никогда еще момент для разработки этих методов не был столь подходящим», — сказала участница команды Фарзана Меру с факультета физики Уорикского университета. «Сочетание нашей диагностики по пыли с наблюдениями газового давления откроет новое мощное окно в мир скрытых планет, формирующих эти диски, и тех разнообразных планетных систем, которые они в итоге создадут».

От колец к мирам: как пыль рассказывает историю рождения планет

Новый метод, предложенный группой Фаруки, по сути, превращает каждый протопланетный диск в своего рода «гравитационные весы». Он опирается на фундаментальный физический принцип: чем массивнее планета, тем сильнее она возмущает окружающий газ и пыль, создавая более широкие и резко очерченные пробелы в диске. Но самое элегантное в этом подходе — его универсальность.

«Представьте, что вы смотрите на снежное поле, на котором кто-то проехал на санках, — поясняет аналогию доктор Фаруки. — Вы не видите ни саней, ни человека, но по ширине и глубине следа можете уверенно сказать, был ли это ребенок или взрослый. С кольцами в протопланетных дисках работает тот же принцип, только вместо саней — планета, а вместо снега — космическая пыль».

Открытие того факта, что метод работает независимо от длины волны наблюдений, имеет колоссальное практическое значение. Астрономам больше не нужно тратить драгоценное наблюдательное время на определение точного состава и размера пылинок в каждом конкретном диске — а это процесс, который раньше требовал сложных многочасовых спектроскопических наблюдений. Теперь достаточно одного качественного снимка в любом диапазоне, от инфракрасного до миллиметрового, чтобы с уверенностью определить массу скрытой планеты.

Впрочем, самый интригующий результат исследования лежит несколько в иной плоскости. Тот факт, что в кольцах вокруг молодых планет скапливаются колоссальные объемы пыли — до двадцати земных масс, — но при этом в этой пыли не обнаруживается новых формирующихся тел, ставит перед теоретиками серьезный вопрос. Либо процесс слипания пылинок в планетезимали идет гораздо медленнее, чем предполагалось, либо уже существующая планета каким-то образом «стерилизует» свою окрестность, не давая формироваться новым мирам-конкурентам.

«Это немного напоминает старшего брата, который съедает всё печенье и не оставляет младшим ни крошки», — шутит Джессика Спиди, но тут же добавляет серьезно: «Если этот эффект подтвердится, нам придется пересмотреть модели формирования мультипланетных систем. Возможно, архитектура планетной системы — то, какие именно планеты и на каких орбитах в ней окажутся, — задается уже на самых ранних этапах, когда первый газовый гигант только начинает расчищать свою дорожку в диске».

Для системы PDS 70 этот вопрос особенно актуален. Две ее известные планеты — PDS 70 b и PDS 70 c — всё еще окружены собственными мини-дисками из газа и пыли, из которых, вероятно, когда-нибудь сформируются их спутники. Наблюдения за этой системой с помощью будущих телескопов — таких как Чрезвычайно Большой телескоп (ELT) Европейской южной обсерватории, который должен заработать в ближайшие годы, — позволят заглянуть в самое сердце этих процессов и, возможно, увидеть рождение лун в реальном времени.

А если отмотать ленту времени на 4,6 миллиарда лет назад, похожие картины можно было бы наблюдать и в окрестностях молодого Солнца. Кольца и пробелы в протопланетном диске нашей собственной звезды определили, где в итоге окажутся планеты земной группы, где — газовые гиганты, а где — пояс астероидов. Новый метод дает ученым инструмент, чтобы наконец сопоставить теоретические модели формирования Солнечной системы с наблюдаемыми картинами вокруг других звезд.

«Каждый раз, когда мы смотрим на изображение протопланетного диска с его изящными концентрическими кольцами, — говорит Фарзана Меру, — мы должны помнить: это не просто космическая абстракция. Это фотография процесса, который когда-то привел к появлению Земли, и, возможно, прямо сейчас в каком-то из этих колец пылинки слипаются в ядро будущей планеты, на которой через миллиарды лет кто-то будет смотреть в свое небо и задавать те же вопросы, что и мы».

Исследование команды было опубликовано в четверг, 28 мая, в журнале The Astrophysical Journal.