Планеты-гиганты должны успеть сформировать свои огромные газовые оболочки, пока у молодой звезды не исчез запас строительного материала. Новые наблюдения космического телескопа James Webb показывают, как этот газ постепенно уносится в космос — сначала мощными магнитными струями и молекулярными ветрами, а затем потоками, вызванными излучением звезды, рассказывает Sciencedaily.com.

Исследование под руководством Намана Баджая из Университета Аризоны охватило 72 молодые звезды, похожие на Солнце, и их протопланетные диски. Это одно из крупнейших исследований формирования планет с помощью JWST. Результаты опубликованы в The Astronomical Journal.

У планет есть ограниченное время для роста

Планеты формируются внутри дисков из газа и пыли, окружающих молодые звезды. Именно из этого материала постепенно собираются будущие планеты, но газовая часть диска существует недолго по космическим меркам.

Когда Солнце было молодым, вокруг него также находился плотный протопланетный диск. В первые несколько миллионов лет он содержал примерно в 100 раз больше газа, чем пыли. Со временем практически весь этот газ исчез.

Для будущих газовых гигантов это особенно важно. Юпитеру и Сатурну необходимо было накопить огромные атмосферы из окружающего диска. Если газ рассеивается слишком быстро, формирующаяся планета может просто не успеть собрать достаточно вещества.

Поэтому исчезновение протопланетного диска фактически запускает таймер: после потери газа возможность сформировать богатую газом планету резко сокращается.

Webb впервые увидел молекулярный газ, который уносится из диска

Чтобы проследить этот процесс, исследователи использовали архивные наблюдения среднего инфракрасного диапазона JWST, полученные прибором MIRI. 72 системы находятся на разных стадиях развития, поэтому вместе они дают своеобразную последовательность кадров, позволяющую восстановить, как меняется процесс рассеивания диска с возрастом.

Ученые искали два основных признака уходящего газа — молекулярный водород и ионизированный неон.

До появления JWST астрономы не могли напрямую наблюдать молекулярный водород таким способом. Предыдущие исследования предполагали, что на самых ранних этапах развития системы вокруг звезды должны существовать достаточно плотные молекулярные ветры, способные даже блокировать рентгеновское излучение.

Новые наблюдения подтвердили эту картину.

В самых молодых системах, где вещество еще активно падает на центральную звезду, астрономы обнаружили мощные струи и широкие ветры, содержащие молекулярный и атомарный газ. Вероятно, они связаны с магнитными полями, пронизывающими протопланетный диск: газ движется вдоль магнитных силовых линий наружу, одновременно унося вещество и угловой момент.

По мере старения системы звезда начинает выдувать газ из диска

Затем картина меняется.

По мере развития системы поток вещества на звезду ослабевает, а вместе с ним становятся слабее и магнитные струи. Уходящий газ постепенно становится преимущественно атомарным.

В этот момент все большую роль начинает играть излучение молодой звезды. Ультрафиолетовые и рентгеновские лучи проникают в истончающийся диск и нагревают газ настолько, что он получает возможность покинуть систему. Этот процесс называется фотоиспарением.

Исследование показывает, что протопланетные диски не исчезают каким-то одним способом. На ранних этапах их газ активно уносят магнитные струи и молекулярные ветры. Позже, когда диск становится тоньше, все важнее становятся атомарные ветры, в том числе вызванные излучением звезды.

Таким образом, процесс рассеивания диска меняется вместе с возрастом планетной системы.

JWST увидел сразу несколько типов ветров

Из 72 исследованных дисков расширенное излучение молекулярного водорода и ионизированного неона обнаружили в 66 системах.

Конические молекулярные ветры были найдены в 46 системах, а быстрые струи, которые отслеживаются по излучению неона, — в 40. При этом каждая система с неоновой струей также демонстрировала признаки ветра, прослеживаемого по молекулярному водороду или кислороду.

Для астрономов это важно не только как подтверждение существования отдельных потоков вещества. Наблюдения позволяют связать разные механизмы потери газа с определенными стадиями развития планетной системы.

«Формирование планет — это поэтому гонка со временем», — говорит Баджай. Газовые гиганты вроде Юпитера должны успеть собрать свои массивные атмосферы, пока диск еще достаточно плотный и способен поставлять им необходимое сырье.

От одного диска — к десяткам молодых систем

Новое исследование продолжает работу той же научной группы. В 2024 году Баджай, Горти и их коллеги с помощью JWST наблюдали, как газ покидает протопланетный диск вокруг молодой звезды T Cha.

Тогда телескоп позволил подробно рассмотреть процесс в одной конкретной системе. Теперь наблюдения 72 молодых звезд показали, что происходит с дисками на разных этапах их развития и как со временем меняется соотношение между магнитными струями, молекулярными и атомарными ветрами.

Следующий вопрос для исследователей — сколько именно газа эти процессы способны удалить из диска и в каких его областях начинается потеря вещества. Ответ позволит точнее определить, насколько быстро закрывается окно для формирования планет и почему одни системы успевают породить газовых гигантов, тогда как в других газа хватает преимущественно для формирования менее массивных миров.