Звёздные диски раскрывают нам тайны появления планет

Детальные изображения дисков, закручивающихся вокруг молодых звёзд, рассказывают детали появления Солнечной системы

[кликабельно]

За последние два с половиной столетия учёные, пытавшиеся представить себе появление планетных систем (включая и нашу), концентрировались на определённом моменте: вращающемся вокруг недавно рождённой звезды диске, в котором планеты лепятся из газа и пыли, будто из глины на гончарном круге. Но как насчёт экспериментальной проверки этой идеи, реального обнаружения экзопланет, слипающихся из кусочков кружащейся материи? Пока что неудачно. «Сегодня все говорят о том, что планеты формируются из протопланетных дисков, — говорит Рубин Донг, астрофизик из Аризонского университета. – Но это предложение, строго говоря, является теоретическим заявлением». Достижения последних лет говорят о том, что оно недолго будет оставаться теоретическим. Используя инструменты второго поколения, расположенные на гигантских наземных телескопов, несколько команд, наконец, смогли рассмотреть внутренние участки несколько протопланетных дисков, открывая неожиданные и загадочные картины.
Самые последние наблюдения проходили 11 апреля, когда Европейская южная обсерватория выпустила восемь изображений дисков, окружающих молодые, солнцеподобные звёзды, которые, возможно, демонстрируют нам, как выглядела наша Солнечная система в младенчестве. На изображениях не видно чётких, недвусмысленных точек света, обозначавших бы планеты. Но в этих и других системах всё же содержатся соблазнительные, хотя и непрямые, намёки на то, что в них могут прятаться новорожденные планеты. Некоторые диски похожи на виниловую пластинку, с кольцами и промежутками, которые могли быть вырезаны молодыми мирами. У других дисков звезда подсвечивает верхнюю и нижнюю поверхность, формируя структуру, напоминающую йо-йо.

Если бы астрономы смогли найти зародыш планеты в подобном месте, выигрыш был бы значительным. Это не просто доказало бы одну из глубочайших идей астрономии – численное измерение места, где формируется планета, и её размера, сразу же помогло бы рассудить враждующие теории формирования планет.

Одно мнение о формировании планет называется аккреция ядра, и говорит, что планеты формируются медленно, скапливаясь вокруг каменистых ядер, в регионах, близких к их звезде. Другая теория обращается к гравитационным нестабильностям диска, предполагая, что гигантские планеты могут комковаться быстро, и далеко от своей звезды. Сейчас эти идеи можно проверить на распределении известных планет в нашей Солнечной системе и во внесолнечных системах. Но их никогда не изучали на примере идущего процесса, до того, как у планет был бы шанс мигрировать и перестроить свой порядок.

Это даёт астрономам, изучающим эти системы, объединяющую их незаконченную цель. Смотреть на тусклые, далёкие, неровные диски. Охотиться на молодые планеты. Наконец, после столетий ожидания, начать раскрывать фундаментальные процессы, формирующие миры во Вселенной.

Прямое обнаружение

В поисках планет в протопланетных дисках легко убедить себя в том, что мы их видим. Астрономы, изучающие эти диски, уже заметили множество прячущихся внутри них точек света. К примеру, 6 мая международная группа сообщила о признаках наличия гигантской планеты, прячущейся в системе CS Хамелеона. Но пока что эти точки остаются кандидатами на планеты, а не подтверждёнными мирами.

Система CS Хамелеона прячет то, что выглядит, как небольшой компаньон – отмечен пунктирным кружком. Специальные поляризационные фильтры (синее изображение) дают возможность увидеть пылевой диск вместе со скрытым объектом.

«Мы сейчас находимся на самом передовом крае технологии, — сказала Кэтрин Фолетт, астроном из Амхерстского колледжа. – Касательно планет, находящихся внутри дисков – абсолютно все такие случаи являются предметом горячих споров». Один из инструментов, лидирующий в поисках – это SPHERE, укреплённый на Очень большом телескопе в Чили, в пустыне Атакама. Он сделал восемь недавних фотографий протопланетных дисков. Другой, тот, на котором работает Фолетт — Gemini Planet Imager (GPI), конкурирующий инструмент, расположенный на другой горе Чили.

У диска, окружающего TW Гидры, есть кольца, которые могут открыть нам спрятанные там планеты

Оба они были разработаны для того, чтобы улавливать фотоны, приходящие с планет, вращающихся вокруг других звёзд, в отличие от большинства других техник изучения экзопланет, полагающихся на непрямые признаки. Оба выдают данные, которые легче всего интерпретировать после тренировки на более старых и аккуратных звёздных системах, с уже исчезнувшими дисками.

Этим камерам необходима возможность отделить слабые пятнышки света от ярких звёзд – это всё равно, что обнаружить светлячка, сидящего на краю далёкого прожектора. Они используют адаптивную оптику, технологию, отслеживающую флуктуации атмосферы, и изменяющую оптику нужным образом для компенсации искажений. Это компенсирует влияние взбаламученного воздуха Земли, и звёзды на изображениях перестают мигать, давая лучшее разрешение. Также они используют коронографы, позволяющие отсекать свет, идущий от звезды. Кроме этого, эти камеры, охотящиеся за планетами, используют и другой трюк – дифференциальное построение изображений. К примеру, SPHERE одновременно делает две фотографии через разные поляризованные фильтры. Свет звёзд не имеет поляризации, поэтому звезда на обеих картинках выглядит одинаково. Её можно вычесть. Но когда свет рассеивается, он поляризуется. Это позволяет астрономам выделить фотоны, отразившиеся от диска или планеты.

Затем алгоритмы ищут оставшиеся точки света. Но в случае планет в дисках, алгоритм может перепутать комки и облака с новыми мирами.

Концентрические круги, окружающие молодую звезду HD 163296, скорее всего, созданы планетами массой примерно с Сатурн, очищающими целые участки от газа и пыли.

Фолетт с коллегами провели последние несколько лет, пытаясь проанализировать эти ложные сигналы. Они также изучали загадочных кандидатов в планеты, включая и те, что вроде бы не движутся по орбитам вокруг своей родительской звезды в соответствии с законами движения Кеплера, как все нормальные планеты. А тем временем открывается ещё один путь к планетам. Хотя SPHERE и GPI не нашли однозначно подтверждённый формирующийся мир, они сумели сделать самые чёткие из имеющихся фотографий протопланетных дисков.

Когда, наконец, мы увидели эти диски в деталях, мы обнаружили в них целый зоопарк странных особенностей, которые могут быть связаны с формированием планет. «Это полностью поменяло всю картину, — сказал Константин Батыгин, астрофизик из Калифорнийского технологического института. – Произошла революция». Проблема содержится в сопоставлении этих особенностей с предполагаемыми планетами, их вызывающими. А это довольно непросто. «Мы говорим о дисках как о признаках планет, — сказала Фолетт. – Но если это признаки планет, то мы пока не знаем, как их интерпретировать».

Спиральные колыбели

Рассмотрим удивительную картину, впервые обнаруженную в 2012-м. Не менее чем в шести протопланетных дисках что-то закручивает газ и пыль в спирали, напоминающие ракушки, или рукава галактик.

У протопланетного диска, окружающего молодую звезду HL Тельца, есть множество концентрических колец. Астрономы считают, что планеты в процессе формирования вырезают в нём сложные структуры.

У астрономов есть две основные идеи для объяснения того, что создаёт эти спиральные рукава. Обе основываются на старой, возрастом в несколько десятилетий, теории галактических спиралей. Согласно этой идее, газ и пыль вращаются вокруг новорожденной звезды, и начинают скапливаться в подобии небесного автомобильного затора. Но однако что-то должно вызвать первичный беспорядок. Астрономы предположили, что в звёздах, окружённых тяжёлыми дисками – такими, которые весят не менее четверти самой звезды – гравитационно нестабильные участки могут привести к скоплению материала в виде спиральных рукавов. Но исследователи обнаружили множество спиральных дисков, чья масса гораздо меньше этого порога, что означает, что тут должен работать какой-то другой механизм.

Возможно, стоит винить скрытого кукловода. В 2015 году команда под руководством Донга, астрофизика из Аризоны, создала симуляции, показавшие, как гигантские планеты, немногим большие, чем Юпитер, могут вызвать появление спиральных водоворотов. Планета будет находиться прямо на кончике одного из рукавов, и тащить спираль за собой, двигаясь по орбите. В таком случае, каждая спираль будет гигантской стрелкой, указывающей на жертву – планету в процессе зарождения. В 2016 команда Донга нашла свидетельство того, что эти спирали могут порождаться массивными телами. В данном случае объектом-инициатором у звезды HD 100453 была карликовая звезда, которую легче заметить, чем планету. И она стала доказательством жизнеспособности идеи. «После этого люди больше стали доверять этой модели», — сказал Донг. Обнаружение такой планеты на кончике рукава закрыло бы это дело, но астрономы всё ещё ожидают этого. В недавней работе, опубликованной в The Astrophysical Journal Letters, команда под руководством Бина Рена, исследователя из Университета Джонса Хопкинса, собрала и проанализировала данные по спирали MWC 758, собиравшиеся более десяти лет.

Спиральные рукава, окружающий звезду MWC 758, мог быть сотворён гигантской планетой, находящейся на конце одного из рукавов

Анализ Рена показывает, что за это время завитки могли немного повернуться, примерно на 6/10 градуса в год. Такое вращение соответствует гигантской планете, находящейся на кончике рукава, совершающей оборот каждые 600 лет, сказал Рен. Но такая планета, если она существует, всё ещё прячется от нас.

Конечно, даже если спирали однозначно связаны с планетами, они не приведут нас ко всем новорожденным мирам. В симуляциях достаточно мощными для создания спиральных рисунков оказываются только газовые гиганты. Менее крупные миры придётся открывать другими способами. Кроме того, не у всех протопланетных дисков есть спирали.

К примеру, ни на одной новой фотографии SPHERE у дисков, образованных вокруг солнцеподобных звёзд, нет спиральных рукавов. Как сказал Хеннинг Авенхаус из Астрономического института Макса Планка, это может говорить о том, что появление спиралей оказывается более эффективным вокруг более массивных звёзд. Но они и многие другие протопланетные диски демонстрируют нечто другое, более многообещающее: разрывы.

Планеты в трещинах

Осенью 2014 года астрономы, проверяя ALMA, набор из тарелок радиотелескопов в чилийских Андах, решили потренировать его на наиболее массивном протопланетном диске, что смогли обнаружить. Когда итоговая картинка, демонстрирующая разрывы и толстые кольца в системе HL Тельца, была выведена на экран, все замерли.

«И всё оставшееся время встречи мы провели, разговаривая про HL Тельца», — сказал Лукас Чиеза, астроном из Университета Диего Порталеса. Изучая разрывы, собравшиеся учёные спорили на тему того, не созданы ли они планетами. Позже учёные с ALMA изучили изображения другой близлежащей системы, TW Гидры, на которых такие же разрывы были видны даже ещё более детально. Но ни одна из систем не смогла разрешить спор о том, вызваны ли разрывы формирующимися планетами, или чем-либо ещё. «Споры всё ещё идут», — сказал Чиеза.

66 антенн обсерватории ALMA изучают небо над ними, находясь на плато Чайнантор в Чилийских Андах.

Как и спирали, планеты и другие эффекты могут менять форму газа. Планета за тысячи и миллионы лет прорежет в нём борозду. При движении по орбите она будет притягивать материал диска к себе, а также рассеивать его с орбиты, оставляя пустой вырез. Эта гравитационная гравировка должна быть кумулятивной. Чтобы создать спираль, нужно нечто большее, чем Юпитер – но миры размером с Нептун или даже такие маленькие, как Земля, могут создать заметные вырезы, сказал Джеффри Фанг, астрофизик из Калифорнийского университета в Беркли. «У всех этих планет имеется потенциал для создания достаточно глубоких вырезов, чтобы мы легко смогли увидеть их сегодняшними инструментами», — сказал он. Что важно, эти вырезы могут быть нашим единственным шансом на ближайшее время для изучения формирования малых планет, которые ещё труднее будет заметить в диске, чем миры размером с Юпитер.

Что же может создавать такие разрезы, если не планеты? Магнитное поле диска может создавать регионы с турбулентностью, разгоняющие материал с участков, которые могут стать пустыми магнитными «мёртвыми зонами». Или же резкие перемены в химическом составе могут создать разрыв, похожий на работу планеты. К примеру, линия снега звёздной системы, отмечает границу между горячим внутренним диском, где вода существует в виде пара, и внешним диском, где вода замерзает в твёрдые гранулы. Сходные переходы происходят и у других веществ, например, оксида углерода и аммиака.

Эта путаница заставляет астрономов искать ключ к ответу. «В лучшем случае мы на самом деле увидим планету в разрыве», — сказал Фанг. Технически, текущая технология смогла бы увидеть не саму планету, а находящийся вокруг планеты диск материала, падающего на неё. Если такой сигнал получится связать со спиралью или разрывом, это помогло бы наблюдателям лучше сопоставить друг с другом новые миры и свойства дисков.

Ждать, возможно, осталось недолго. «Самые интересные фотографии, из тех, что я видел, пока не опубликованы, — сказал Чиеза, отказавшийся вдаваться в детали. – В ближайшие месяцы мы можем ожидать выхода множества очень интересных вещей».

Телескопы следующего поколения тоже должны суметь помочь. Космический телескоп Джеймса Уэбба сможет заглянуть внутрь дисков на инфракрасных волнах и напрямую отыскать планеты. Его запуск недавно снова отложили, на этот раз – на 2020 год.

Экстремально большой телескоп, который сейчас строят в Чили, будет использовать лазеры для создания в верхних слоях атмосферы искусственных «звёзд», что позволит исследователям убрать мерцание неба.

Проблема отлова процесса формирования планет – «прекрасная научная задача» для 30-метровых телескопов, сказал Брюс Макинтош из Стэнфордского университета, руководящий командой GPI. Обсерватории такого размера, как, например, экстремально большой телескоп, который сейчас строят в Чили, смогут разглядывать структуры даже ещё меньшего размера внутри протопланетных дисков. И когда это случится, подтверждение наблюдения формирования планет будет «прорывом», как сказал Донг. То, что было математической сказкой о рождении миров, будет разыгрываться в реальном времени, в реальных данных. «И всё это связано с фундаментальным вопросом о нашем собственном происхождении».