Астрономы, изучающие молодую звезду AS209 в созвездии Змееносца, смогли обнаружить признаки экзопланеты, вокруг которой еще сохранился околопланетный газопылевой диск. Это свидетельствуюет о продолжающемся процессе формирования небесного тела. Исследование основано на наблюдениях обсерватории ALMA. Научная статья вышла в журнале ALMA

Околопланетные диски представляют собой скопление газа, пыли и более крупных твердых фрагментов. Они содержат материал, часть которого участвует в формировании самой планеты, а часть – создает ее спутники. Анализ состава и структуры дисков позволит лучше понять процессы образования планет-гигантов. По похожей схеме мог образоваться Юпитер и его многочисленные спутники, поскольку юная экзопланета соответствует Юпитеру по массе.

Звезда AS209 находится на расстоянии 395 световых лет от Земли. Открытая планета вращается довольно далеко от материнской звезды – на расстоянии 200 астрономических единиц. Это несколько меняет устоявшиеся представления о формировании солнечных систем. Ведь считается, что на таком расстоянии образуются более мелкие объекты, кометы и астероиды, подобные тем, что находятся на окраинах Солнечной системы в поясе Койпера. Было принято думать, зона образования планет-гигантов гораздо ближе.

Возраст звезды AS209 всего 1,6 миллиона лет. Это делает обнаруженную в ее системе планету самой молодой экзопланетой, которая когда-либо наблюдалась. Интерес к этой системе был вызван тем, что вокруг звезды есть выраженные кольцевые образования, распределенные дискообразно, что указывает на происходящий прямо сейчас процесс образования планет.

Это открытие – всего лишь третий наблюдаемый околопланетный диск за всю историю науки. Первый был обнаружен в 2019 году тем же телескопом ALMA – в этом диске формируется спутник вокруг планеты PDS 70c.

При помощи радиотелескопа миллиметрового и субмиллиметрового диапазона ALMA астрономы впервые определили состав газа в околопланетном диске звёздной системы. Кроме того, наличие газа указывает на существование очень молодой экзопланеты возле звезды.

Околопланетные диски – это смесь газа, пыли и другого «космического мусора» вокруг молодых планет. В этих дисках могут рождаться спутники планет – экзолуны, а также другие небольшие каменные тела (минилуны), а сами диски влияют на образование молодых планет-гигантов. Изучение таких дисков на ранних стадиях эволюции планетной системы позволит понять особенности формирования планетных космических тел и в Солнечной системе, включая, например, образование Галилеевых лун (четырёх самых крупных спутников Юпитера, открытых ещё в 1609 году при первых наблюдениях в телескоп). Эти спутники, как предполагается, тоже сформировались в околопланетном диске Юпитера 4,5 миллиарда лет назад.

Диски из пыли и газа возле молодых звёзд, в которых формируются экзопланеты, для астрономов – вполне привычные объекты, но здесь речь идёт об открытии такого образования не возле звезды, а внутри собственно диска, то есть о структуре меньшего масштаба, связанной с формированием экзопланеты и её спутников.

Так, газопылевой диск возле звезды имеет размеры около 140 а.е. и обладает сложным строением – он сложен из нескольких концентрических колец с щелями между ними. Это как раз просматривается в субмиллиметровом диапазоне длин волн, с которым работает массив радиотелескопов ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) в Чили, как видно на этом более раннем снимке звезды. Такие щели могут объясняться формированием планетной системы возле звезды: планеты «расчищают» пространство на своей орбите, притягивая к себе или выкидывая за пределы орбиты космический мусор. Планетарные структуры, то есть искомые околопланетарные диски, следовательно, можно обнаружить, если удастся поймать необычные линии излучения от таких пустот в газопылевом облаке звезды.

Астрономы обнаружили сгусток излученного света посреди щели в облаке газа, окружающем звезду. Таким образом удалось зафиксировать околопланетный диск, который сформировался, возможно, вокруг планеты с массой порядка массы Юпитера. Далее, радиодиапазон, в котором работает телескоп ALMA, является идеальным для исследования молекулярного состава газа. Так, удалось обнаружить линии излучения CO (угарного газа) нескольких изотопов угерода и кислорода. По их интенсивности можно даже сделать оценку температуры объекта.

Из этого следует, что газовый диск имеет свой источник разогрева кроме звезды – вероятно, им и является молодая планета-газовый гигант. Хоть это не первый открытый планетарный диск, но первый такой объект, в котором удалось идентифицировать молекулы составляющего его газа. Статья группы исследователей из ALMA и NRAO (Национальной радиоастрономической обсерватории) об открытии вышла в августе 2022 года в The Astrophysical Journal Letters.

Звёздная система привлекает особое внимание астрономов, во-первых, из-за очень молодого возраста звезды, во-вторых, из-за необычного расстояния экзопланеты до звезды. Так, планета вращается на орбите на расстоянии 200 а.е. (астрономических единиц, то есть расстояний от Земли до Солнца). Это необычно много – так, Юпитер находится на расстоянии 5 а.е., а Нептун – «всего» 30 а.е.

Формирование молодой планеты – газового гиганта на таком солидном расстоянии идёт вразрез с принятыми сегодня теориями формирования планет. Напомним, что значительное количество открытых экзопланет-гигантов – это «горячие Юпитеры», находящиеся близко к своей звезде, гораздо ближе, чем Меркурий отстоит от Солнца. Далее, если верны оценки возраста звезды в 1,6 миллиона лет, то эта её планета – одна из самых молодых открытых на сегодня экзопланет. Но для уверенного подтверждения открытия экзопланеты требуются дальнейшие наблюдения.

Молекулярный газ в околопланетном диске возле звезды AS209 указывает на формирование очень молодой планеты – газового гиганта. Дополнительное излучение на частотах молекул CO исходит из щелей в газопылевом диске звезды, в которых могут формироваться планеты.

Околопланетные диски возле экзопланет – это объекты, о существовании которых астрономы давно подозревали, но до сих пор их не удавалось открыть. В 2019 году также на радиотелескопе ALMA удалось впервые обнаружить такой диск возле молодой экзопланеты PDS 70c, а в 2021 году – подтвердить открытие.

AS209 – это всего третья система, в которой на сегодня удалось подтвердить существование планетарного диска. В этот раз у околопланетного диска возле AS209 удалось частично определить и его газовый состав. Поэтому наблюдения за этим объектом помогут узнать, как формируются атмосферы у экзопланет, а также как образуются их спутники – экзолуны. Напомним в этой связи, что подтверждённо открытых экзолун пока нет, но это не мешает теоретикам строить теории их образования, и даже рассуждать об их возможной обитаемости.

ALMA и раньше фотографировал протопланетный диск AS209, но новые снимки имеют большую детализацию и позволяют увидеть ранее неизвестные детали.

Изображения ALMA демонстрируют множество концентрических колец внутри протопланетного диска AS209. По мнению астрономов, промежутки между кольцами могут указывать на то, что в них пролегают орбиты недавно сформировавшихся массивных планет. Их гравитация выталкивает вещество диска на внешние края промежутков. Поэтому кольца становятся еще более ярко очерчены.

В соответствии с общепринятой моделью, пыль в протопланетных дисках слипается в зерна, те в «булыжники», а они, наконец, в планетезимали. Эта теория, однако, имеет одно слабое место. Как только планетезималь достигает определенной массы, динамика диска должна приводить к тому, что она устремится к материнской звезде и упадет на нее еще до того, как планета успевает сформироваться.

Результаты программы DSHARP могут помочь решить данную проблему. Последние данные ALMA говорят о том, что подструктуры диска способны возмущать эту динамику и обеспечивать создание «тихих гаваней», в которых молодые планетезимали могут в относительно спокойной обстановке набирать массу. Это также означает, что процесс формирования планет в протопланетных дисках может протекать быстрее, чем считалось ранее.

Ученые провели наблюдения за звездой AS209, расположенной в 395 световых годах в направлении созвездия Тельца, с помощью комплекса радиотелескопов ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) в Чили. Эту звезду окружает околозвездный, или протопланетный диск, однако исследователи заметили в нем кольцевой зазор, который указывает на формирование планеты-гиганта. При этом вокруг предполагаемой планеты астрономы нашли признаки околопланетного газового диска, который притягивается из околозвездного диска.

Кандидат в околопланетный диск удален от родительской звезды на 200 астрономических единиц, а его диаметр достигает приблизительно 14 астрономических единиц. Масса вещества диска оценивается в 30 масс Земли, а его температура более чем на 35 Кельвинов выше температуры околозвездного диска. Это указывает на некий механизм нагрева, который может поддерживаться аккрецией газа или за счет ударного взаимодействия с материалом околозвездного диска.

В 2019 году астрономы ALMA впервые обнаружили околопланетный диск, образующий луну-спутник, при наблюдении за молодой экзопланетой PDS 70c и подтвердили открытие в 2021 году.

Изучив химический состав разных областей пяти протопланетных дисков, внутри которых формируются экзопланеты, планетологи обнаружили, что в составе веществ оттуда есть существенные различия. Это усложнит поиски внеземной жизни, считают ученые. Результаты исследования опубликовал научный журнал The Astrophysical Journal Supplement Series.

Наши наблюдения показывают, что в этих дисках присутствует большое число органических молекул, которые были крайне неравномерно распределены по каждому подобному объекту. Это говорит о том, что в одном и том же диске могут возникать планеты с совершенно разным набором веществ, что должно влиять на их пригодность к жизни", – рассказала Кэрин Оберг, профессор Гарвард-Смитсоновского астрофизического центра (США).

Считается, что все планеты в Солнечной системе и за ее пределами зародились внутри плоских газопылевых дисков. В последние годы астрономы открыли десятки планетных систем, только начавших формироваться или уже закончивших этот процесс, однако промежуточные фазы их роста пока остаются малоизученными.

Оберг и ее коллеги уже несколько лет пытаются заполнить подобные пробелы в рамках проекта MAPS, нацеленного на составление детальных химических карт облаков из газа и пыли, окружающих молодые звезды, в окрестностях которых формируются планеты. Для получения подобных сведений ученые используют микроволновую обсерваторию ALMA.

В центре работы астрономов были пять протопланетных дисков вокруг новорожденных HD 163296, MWC 480, AS 209 и недавно возникших звезд IM и GM в созвездиях Волка и Возничего. Каждый из этих объектов и "зародышей" планет внутри них детально изучили с помощью ALMA и других телескопов.

Ученые составили карты этих дисков в четырех разных областях спектра электромагнитных волн, а также проанализировали распределение двух десятков сложных и простых молекул, в том числе и органических соединений, из которых может образоваться внеземная жизнь. Благодаря анализу этих данных ученые выяснили множество неожиданных и интересных деталей.

В частности, оказалось, что у каждого диска был свой собственный набор органических и неорганических компонентов. При этом почти все типы органических и неорганических молекул были распределены по газопылевым облакам крайне неравномерно. Подобные неоднородности состава протопланетного диска, как считают Оберг и ее коллеги, должны сильно влиять на устройство и потенциальную обитаемость формирующихся в них планет.

В дополнение к этому ученые обнаружили, что концентрация органических молекул во внутренних регионах протопланетных дисков была в десятки и сотни раз выше, чем на то указывают современные теории формирования планет. По мнению планетологов, это говорит о том, что подобные вещества не просто присутствуют внутри газопылевых облаков, но и активно формируются внутри них.

Дальнейшие наблюдения при помощи ALMA, как надеются Оберг и ее коллеги, позволит им понять, присутствуют ли в протопланетных дисках более сложные органические молекулы. Их обнаружение приблизит ученых к пониманию того, из каких "кирпичиков жизни" могла возникнуть жизнь на Земле и на других потенциально обитаемых планетах.