Космический телескоп имени Джеймса Уэбба (НАСА/ЕКА/ККА) решил головоломку, подтвердив спорное открытие, сделанное с помощью космического телескопа «Хаббл» (НАСА/ЕКА) более 20 лет назад.
Еще в 2003 году Хаббл предоставил доказательства существования массивной планеты вокруг очень старой звезды, почти такой же старой, как и Вселенная. Такие звезды обладают лишь небольшим количеством более тяжелых элементов, которые являются строительными блоками планет. Это означало, что некоторое формирование планет произошло, когда наша Вселенная была очень молодой, и эти планеты успели сформироваться и вырасти внутри своих изначальных дисков, даже больше Юпитера. Но как? Это было загадочно.
Чтобы ответить на этот вопрос, исследователи использовали Уэбб для изучения звезд в близлежащей галактике, которая, как и ранняя Вселенная, испытывает недостаток в большом количестве тяжелых элементов. Они обнаружили, что не только некоторые звезды там имеют диски, формирующие планеты, но и что эти диски более долговечны, чем те, которые наблюдаются вокруг молодых звезд в нашей галактике Млечный Путь. Работа опубликована в The Astrophysical Journal .
«С Уэббом у нас есть действительно убедительное подтверждение того, что мы увидели с помощью Хаббла, и нам нужно переосмыслить то, как мы моделируем формирование планет и раннюю эволюцию в молодой Вселенной», — сказал руководитель исследования Гвидо Де Марчи из Европейского центра космических исследований и технологий ЕКА в Нордвейке, Нидерланды.
В ранней Вселенной звезды формировались в основном из водорода и гелия, а также из очень небольшого количества более тяжелых элементов, таких как углерод и железо, которые появились позже в результате взрывов сверхновых.
«Современные модели предсказывают, что при таком небольшом количестве тяжелых элементов диски вокруг звезд имеют короткую продолжительность жизни, настолько короткую, что планеты не могут вырасти большими», — сказала соавтор исследования Уэбба Елена Сабби из обсерватории Gemini в NOIRLab Национального научного фонда в Тусоне. «Но Хаббл видел эти планеты, так что, если модели неверны и диски могут жить дольше?»
Чтобы проверить эту идею, ученые тренировали Уэбб на Малом Магеллановом Облаке, карликовой галактике, которая является одним из ближайших соседей Млечного Пути. В частности, они исследовали массивное звездообразующее скопление NGC 346, в котором также наблюдается относительный дефицит более тяжелых элементов. Скопление служило ближайшим прокси для изучения звездных сред с похожими условиями в ранней далекой Вселенной.
Наблюдения Хаббла за NGC 346 с середины 2000-х годов выявили множество звезд возрастом около 20-30 миллионов лет, которые, казалось, все еще имели вокруг себя диски, формирующие планеты. Это противоречило общепринятому мнению, что такие диски рассеиваются через 2 или 3 миллиона лет.
«Результаты Хаббла были спорными, противоречащими не только эмпирическим данным в нашей галактике, но и текущим моделям», — сказал Де Марчи. «Это было интригующе, но без возможности получить спектры этих звезд мы не могли по-настоящему установить, были ли мы свидетелями настоящей аккреции и наличия дисков или просто каких-то искусственных эффектов».
Теперь, благодаря чувствительности и разрешению телескопа Уэбб, ученые получили первые в истории спектры формирующихся звезд, похожих на Солнце, и их ближайшего окружения в соседней галактике.
«Мы видим, что эти звезды действительно окружены дисками и все еще находятся в процессе поглощения материала, даже в относительно большом возрасте в 20 или 30 миллионов лет», — сказал Де Марчи. «Это также означает, что у планет больше времени для формирования и роста вокруг этих звезд, чем в соседних регионах звездообразования в нашей собственной галактике».
Это открытие опровергает предыдущие теоретические предсказания о том, что когда в газе вокруг диска очень мало тяжелых элементов, звезда очень быстро сдует диск. Поэтому жизнь диска будет очень короткой, даже меньше миллиона лет. Но если диск не остается вокруг звезды достаточно долго, чтобы пылинки слиплись, а галька сформировалась и стала ядром планеты, как могут образоваться планеты?
Исследователи объяснили, что могут существовать два различных механизма или даже их комбинация, благодаря которым диски, формирующие планеты, могут сохраняться в средах, где мало тяжелых элементов.
Во-первых, чтобы иметь возможность сдуть диск, звезда применяет давление излучения. Чтобы это давление было эффективным, в газе должны находиться элементы тяжелее водорода и гелия. Но массивное звездное скопление NGC 346 содержит всего около 10% более тяжелых элементов, которые присутствуют в химическом составе нашего Солнца. Возможно, звезде в этом скоплении просто требуется больше времени, чтобы рассеять свой диск.
Вторая возможность заключается в том, что для формирования звезды, подобной Солнцу, когда тяжелых элементов мало, она должна начать с большего газового облака. Большее газовое облако создаст больший диск. Таким образом, в диске больше массы, и поэтому потребуется больше времени, чтобы сдуть диск, даже если бы давление излучения работало таким же образом.
«С большим количеством материи вокруг звезд аккреция длится дольше», — сказала Сабби. «Диски исчезают в десять раз дольше. Это влияет на то, как формируется планета, и на тип архитектуры системы, который может быть в этих различных средах. Это так волнующе».
