Телескоп «Уэбб» нашел следы столкновения миров размером с Марс
Падение крупного небесного тела способно необратимо изменить облик планеты — древний ударный кратер Чикшулуб на Земле служит тому ярким примером. Астрономы с помощью космического телескопа «Джеймс Уэбб» исследуют молодые звездные системы, где могут происходить столь же разрушительные события.
Новое исследование в The Astrophysical Journal посвящено крайне редкому классу объектов — экстремальным обломочным дискам. Окружающее молодую звезду вещество со временем радикально меняется. Сначала она окружена богатым газом протопланетным диском, внутри которого формируются планеты. Позднее газ в основном рассеивается, и система переходит в стадию обломочного диска: его пыль возникает при столкновениях уже сформировавшихся тел.
Как нашли объекты
Инфракрасный телескоп «Спитцер» ранее обнаружил необычные обломочные диски с особенно большим количеством теплой пыли. Она находится близко к звезде — примерно в той области, где в Солнечной системе обращаются каменистые планеты. Группа астрономов из Института космических наук в Боулдере применила «Уэбб», чтобы подробно изучить такие системы.
Теоретические модели предполагают, что экстремальные обломочные диски должны встречаться сравнительно часто. Наблюдения, однако, рисуют другую картину: заметные признаки этой фазы обнаружены лишь примерно у 1% молодых звезд. Вполне возможно, что Солнечная система тоже переживала подобный период на раннем этапе своей истории.
Несмотря на редкость таких объектов, исследователям удалось собрать выборку из 21 экстремального диска. Наблюдения подтвердили три главные особенности экстремальных дисков. Их пылевые частицы мельче, чем в протопланетных и обычных обломочных дисках. Теплой пыли в них необычно много; кроме того, их яркость нерегулярно меняется со временем. Свойства удалось выявить по спектрам в среднем инфракрасном диапазоне, полученным «Уэббом» и «Спитцером».
Разные составы
Чтобы выяснить происхождение столь необычной пыли, команда определила ее минеральный состав. Выяснилось, что диски делятся на две большие группы: богатые кремнеземом и бедные кремнеземом. На Земле примером богатого кремнеземом вещества служит вулканическое стекло — обсидиан. Напротив, минерал форстерит, в котором кремнезема меньше, можно увидеть в виде зеленых песчинок на некоторых пляжах.
Соотношение этих материалов содержит информацию о столкновении, породившем диск. Оно также может объяснять, почему яркость одних систем в инфракрасном диапазоне меняется сильнее, чем у других. «Увидеть их излучение в среднем инфракрасном диапазоне и прекрасные спектральные особенности, позволившие определить состав, было для меня самым захватывающим, — рассказала соавтор работы Агнеш Кошпал из обсерватории Конколи в Будапеште. — У нас нет другого способа напрямую исследовать эти планетные зародыши: они слишком малы».
Тела размером с Марс
Около трети дисков в выборке оказались богаты кремнеземом. По мнению авторов, они возникли после чрезвычайно энергичных столкновений тел размером с Марс. Подобный удар способен испарить большую массу каменистого вещества. Остальные две трети дисков бедны кремнеземом. Вероятно, их породили менее мощные события — например, касательные столкновения объектов размера Луны.
У двух групп обнаружилось и важное различие в возрасте. Богатые кремнеземом диски известны только у звезд моложе 300 млн лет. Бедные кремнеземом диски встречаются у звезд гораздо более широкого возрастного диапазона и, как правило, показывают более сильные изменения яркости.
Исследователи предполагают, что переменность связана с быстрым развитием свежего облака обломков. Перестройка орбит вещества и новые столкновения могут заставлять инфракрасную яркость системы то расти, то падать. Результаты способны помочь восстановить и историю нашей Солнечной системы, которая, возможно, не один раз проходила через фазу экстремального обломочного диска.
Связь с историей Солнечной системы
Компьютерные модели показывают, что планеты земной группы должны сформироваться в первые несколько сотен миллионов лет после рождения звездной системы. Этот срок согласуется с возрастом известных богатых кремнеземом дисков. Он также соответствует оценкам, согласно которым Земля и Луна сформировались примерно через 100 млн лет после появления Солнца, а Луна, вероятно, стала результатом столкновения молодой Земли с телом размером с Марс.
Ученых интересует и другой вопрос: могла ли Солнечная система когда-то пережить стадию бедного кремнеземом экстремального диска. Если у более старых дисков хаотичные изменения инфракрасной яркости действительно вызваны неустойчивостью орбит, это в общих чертах согласуется с гипотезой поздней тяжелой бомбардировки. Согласно ей, планеты-гиганты заметно сместились со своих первоначальных орбит, возмутили движение малых тел и запустили череду катастрофических столкновений. Краткие периоды с огромным количеством пыли могли быть похожи на те, которые астрономы видят сейчас.
