Космический телескоп «Джеймс Уэбб» помог астрономам изучить редкий класс молодых планетных систем, где столкновения между крупными небесными телами происходят настолько часто и энергично, что вокруг звезды образуются огромные облака теплой пыли. Эти наблюдения дают возможность заглянуть в эпоху, когда формировалась и сама Солнечная система, включая возможное столкновение Земли с протопланетой Тейей, из обломков которой, как считается, возникла Луна.

Ученые исследовали 21 так называемый экстремальный диск обломков — системы, которые встречаются примерно у 1% звезд. Наблюдения «Уэбба» позволили впервые собрать достаточно большую выборку, чтобы разобраться, какие процессы стоят за их необычными свойствами, рассказывает Space.com.

Самые жестокие столкновения происходят в пыли

Молодые звезды обычно окружены протопланетными дисками из газа и пыли. Внутри них небольшие тела — планетезимали — сталкиваются, слипаются и постепенно формируют планеты.

Однако еще космический телескоп Spitzer обнаружил системы, которые заметно отличаются от обычных дисков. В них находится необычно много теплой пыли вблизи звезды — примерно там, где в Солнечной системе расположены каменные планеты.

Такие системы получили название экстремальных дисков обломков. Они настолько редки, что встречаются примерно у 1% звезд. Исследователи допускают, что Солнце в далеком прошлом также могло пройти через подобную стадию.

Теперь «Джеймс Уэбб» позволил рассмотреть эти системы гораздо подробнее.

Команда под руководством Кейт Су из Space Science Institute изучила 21 экстремальный диск. Четыре из них ранее наблюдались Spitzer, еще 16 были исследованы с помощью «Уэбба», причем 12 систем телескоп наблюдал впервые.

«До появления JWST у нас было очень мало информации», — отметила Су. Теперь, по ее словам, данных стало достаточно, чтобы понять, что эти системы могут рассказать о формировании и эволюции планет.

По пыли можно определить силу столкновения

Ученые обнаружили три общие особенности экстремальных дисков. В них присутствуют более мелкие пылевые частицы, чем в обычных дисках обломков, наблюдается высокая концентрация теплой пыли, а яркость систем заметно меняется со временем.

Особенно важным оказалось исследование минерального состава пыли. По этому признаку диски удалось разделить на две группы: богатые кремнеземом и бедные им.

Разница, как предполагают исследователи, связана с масштабом столкновений.

Кремнеземсодержащие диски, вероятно, возникают после чрезвычайно мощных ударов между телами примерно марсианского размера. При таком столкновении значительная часть вещества может испариться, а затем конденсироваться в виде мелких частиц.

Бедные кремнеземом диски, напротив, могут формироваться при менее энергичных столкновениях между телами примерно лунного размера, которые задевают друг друга и выбрасывают материал.

Примерно треть исследованных экстремальных дисков относится к первой категории. Причем все такие системы оказались моложе 300 млн лет.

«Уэбб» впервые позволяет увидеть следы формирования планет

Наблюдать сами планетарные зародыши непосредственно практически невозможно: они слишком малы и тусклы на фоне своих звезд. Поэтому астрономы изучают последствия их столкновений.

Именно здесь возможности «Джеймса Уэбба» оказались особенно полезны. Его инфракрасные инструменты позволяют исследовать излучение теплой пыли и определить содержащиеся в ней минералы.

«У нас нет другого способа напрямую изучать эти планетарные зародыши, потому что они слишком малы», — объяснила участница исследования Агнеш Кошпал из обсерватории Конколи в Будапеште.

При этом состав пыли дает косвенную информацию о том, насколько мощным было столкновение и какие тела участвовали в нем.

Бедные кремнеземом диски также отличаются большей изменчивостью яркости. Исследователи связывают это с быстрым развитием свежих обломков: после столкновения они продолжают сталкиваться друг с другом, а изменение орбит тел в системе постепенно меняет структуру облака пыли.

Возможно, Солнечная система прошла через то же самое

Наблюдения экстремальных дисков позволяют ученым сравнить молодые системы с историей Солнечной системы.

Модели показывают, что каменные планеты вроде Земли должны были сформироваться в первые несколько сотен миллионов лет существования Солнечной системы. Это хорошо согласуется с возрастом звезд, вокруг которых обнаружены богатые кремнеземом экстремальные диски.

По современным оценкам, Солнце сформировалось около 4,6 млрд лет назад, а Земля и Луна — примерно через 100 млн лет после него. Это соответствует эпохе, когда столкновения между крупными планетарными телами были особенно интенсивными.

Одним из таких событий могло стать столкновение молодой Земли с Тейей — гипотетической протопланетой размером примерно с Марс. Считается, что удар выбросил огромное количество вещества на орбиту Земли, после чего из него сформировалась Луна.

Новые наблюдения не являются прямым доказательством этой гипотезы. Однако они показывают, что столкновения между крупными телами и образование огромных облаков обломков действительно могут быть естественной стадией эволюции молодых планетных систем.

После формирования планет столкновения не заканчиваются

Исследователи предполагают, что Солнечная система могла пережить и более позднюю стадию столкновений — период поздней тяжелой бомбардировки.

В это время многочисленные астероиды и другие малые тела сталкивались с планетами и друг с другом. Некоторые модели также связывают этот этап с миграцией гигантских планет: считается, что Юпитер, Сатурн и другие крупные тела могли менять свои орбиты, пока молодая Солнечная система окончательно формировалась.

Таким образом, столкновения, которые сегодня кажутся разрушительными исключениями, могли быть обычной частью рождения планет.

«То, как формировались каменные планеты и как развивались планеты-гиганты, — части одной большой истории формирования Солнечной системы», — говорит Су.

Изучая редкие экстремальные диски вокруг молодых звезд, астрономы получают возможность увидеть отдельные фрагменты этой истории в действии — спустя миллиарды лет после того, как подобные процессы происходили возле нашего собственного Солнца.