Науковці вже давно знають, що зорі так званої проміжної маси, тобто важчі за Сонце, але ще далеко не супергіганти, надзвичайно швидко накопичують масу на стадії формування. І тепер їм вдалося роздивитися цей процес в усіх подробицях.
Як формуються планети у протопланетному диску?
Зорі утворюються в масивних хмарах газу, які називаються молекулярними хмарами. Під час їхнього утворення вони акумулюють газ із цих хмар, а коли зорі обертаються, газ і пил накопичуються в обертовому диску навколо зорі, який називається протопланетним. Як зрозуміло з назви, саме тут формуються планети шляхом акумуляції матеріалу з диска.
Це просте пояснення надзвичайно складного процесу, який є постійним предметом досліджень в астрономії. Десятиліття спостережень підтвердили основну гіпотезу, що зорі поступово накопичують матеріал із цих дисків, частина ж «віддувається» випромінюванням зорі, а частина утворює планети.
З часом протопланетний диск розсіюється, зоря перестає накопичувати матеріал і досягає своєї остаточної маси, а формування планет припиняється.
Однак зазирнути в ці середовища, щоб зрозуміти, що там відбувається, украй складно. Увесь процес прихований за товстим шаром газу й пилу, тож значна частина наших знань ґрунтується як на спостереженнях, так і на теоретичних моделях. Тому таке пояснення підходить не для всіх світил.
Дослідження щодо утворення зір проміжної маси
Воно працює для світил приблизно таких же розмірів, як Сонце, але не підходить для зір проміжної маси. Спостерігаючи такі об’єкти, з масою від 1,5 до 4 сонячних, астрономи виявляють, що вони накопичують масу швидше, ніж очікувалося.
Нові дослідження показують, що замість того, щоб їхнє накопичення зменшувалося з віком, зорі проміжної маси переживають швидкі сплески росту пізніше, під час свого формування. Парадоксально, але це не перешкоджає формуванню планет, а насправді дозволяє рости газовим гігантам, як-от Юпітер.
Дослідження під назвою «Еволюція швидкості акреції молодих зір середньої маси: наслідки для еволюції диска та формування планет» опубліковане в журналі The Astronomical Journal, а провідним автором є Шон Бріттейн, професор кафедри фізики та астрономії в Університеті Клемсона в Південній Кароліні.
Дослідження зосереджене на двох типах світил: об’єктах середньої маси типу Т-Тільця та зорях Гербіга. Зорі Т-Тільця є молодими докласовими світилами, а зорі Гербіга — наступний етап їхньої еволюції (IMTTS). Світла Гербіга ближчі до виходу на головну послідовність, хоча досі перебувають у процесі формування й усе ще занурені у свої диски. Вони масивніші й гарячіші за Сонце.
Акреція матеріалу протозорями проміжної маси
Під час акреції матеріалу зорі також випромінюють енергію — і саме на цьому зосереджене нове дослідження. Вимірюючи потужність цього випромінювання, астрофізики можуть визначити швидкість росту світила.
«Коли матеріал падає на зорю, виділяється багато енергії. Так само, як коли ви впускаєте стілець, він видає шум або навіть ламається. У випадку акумуляції матеріалу виділена енергія значно більша. Ми можемо спостерігати це як додаткове випромінювання від системи, що дозволяє нам визначити швидкість, з якою зорі збільшують свою масу», — сказав Бріттейн.
Спостерігаючи зорі Гербіга, дослідники побачили, що їхній темп акреції зростає з віком, коли зорі досягають зрілості.
«Це означає, що диски, що оточують ці світила, спочатку повинні бути дуже масивними. Це створює проблему, оскільки такі масивні диски були б нестабільними й розпадалися ще до того, як планети мали б шанс утворитися», — сказав Рене Оудмаєр, член команди з Королівської обсерваторії Бельгії.
Нестабільність масивних протопланетних дисків
Може здатися, що масивні диски сприяють формуванню планет, але насправді все навпаки. Коли маса диска становить близько 10 % від маси його зорі або більше, він стає нестабільним. Він може швидко розпадатися на скупчення, перешкоджаючи поступовому формуванню планет через зіткнення та акрецію.
Коли дослідники спостерігали IMTTS, вони виявили, що їхня швидкість акреції була більш ніж у 10 разів нижчою, ніж у їхніх більш розвинених аналогів, зір Гербіга.
«Замість більш високих швидкостей акреції, ми виявили значення, які були до 30 разів менші, ніж у зір Гербіга. У певному сенсі це вирішує проблему маси, оскільки диск не має бути таким масивним на початковому етапі», — сказала Гвендолін Меус з Університету Автонома де Мадрид в Іспанії.
Отже, зниження швидкості акреції для старіючих зір Гербіга свідчить про масивні диски, які нестабільні, а нестабільність перешкоджає формуванню планет. Ще нижчі швидкості акреції для IMTTS, здається, вирішують проблему маси, оскільки диск спочатку може бути меншим і все ж дозволяти формування газових гігантів.
Але це породжує іншу проблему: старші зорі накопичують масу значно швидше, ніж їхні молодші аналоги. Теорія ж передбачає, що такого бути не може — це просто не має сенсу. Чому зоря нарощує менше маси тоді, коли матеріалу більше, і більше маси тоді, коли його вже менше?
Пояснення загадки
Дослідники взялися за розробку моделі, яка могла б це пояснити. Їхня модель показує, що акреція обумовлена частиною випромінювання зорі, зокрема далекого ультрафіолетового (FUV) випромінювання.
«Ми запропонували фізично правдоподібний сценарій, який пояснює систематичне збільшення акреції на зорю, ґрунтуючись на зростанні ефективної температури світил у міру їхньої еволюції до нульового віку головної послідовності», — пишуть дослідники у своїй статті.
Ось їхнє рішення: більш еволюційно розвинені зорі Гербіга гарячіші за свої молодші аналоги ІМТТС, і ця більша температура змушує зорю випромінювати більше у далекому ультрафіолеті (FUV). «Отже, світність випромінювання у далекому ультрафіолеті (FUV) зростає на порядки величини. Ми припускаємо, що це збільшення спричиняє вищу швидкість акреції на зорю», — пояснюють автори.
FUV-випромінювання іонізує більшу частину газу в диску, що посилює акрецію на зорю. Це відбувається завдяки магніторотаційній нестабільності (MRI) — основному механізму, який приводить до акреції матеріалу на зорю.
Зорі оточені власними магнітними полями, а нейтральний газ із ними взаємодіє погано. Але іонізований газ взаємодіє. Він реагує на лінії магнітного поля навколо світил. Коли газ стає сильно іонізованим, це фактично створює турбулентність у лініях магнітного поля зорі. Турбулентність переносить кутовий момент із диска назовні.
Це означає, що внутрішні регіони диска мають слабший кутовий момент, і це дозволяє зорі швидше акретувати матеріал.
Здається, це вирішує проблему формування гігантських планет навколо світил середньої маси. Підвищене тепло зір Гербіга сприяє швидкій акреції, і більш масивний диск не є необхідним.
«Розуміння того, що гарячіші зорі випромінюють більше ультрафіолетового світла, ніж холодніші, відоме вже понад сто років, і очікування того, що іонізація диска відіграє важливу роль у процесі акреції, існує протягом десятиліть», — сказав Бріттейн.
Ця робота уособлює естафету наукового прогресу, спираючись на ці основні ідеї та демонструючи, що ці системи справді мають несподіваний пізній сплеск росту.
Формування планет у зір Гербіга
Ці результати узгоджуються й із сучасними спостереженнями зір Гербіга. Дані ALMA та інструмента SPHERE на Дуже великому телескопі показують, що їхні диски часто містять виразні спіралеподібні рукави. Для цих структур було запропоновано кілька пояснень — від гравітаційних нестабільностей до збурень, спричинених супутниками, зокрема коричневими карликами, зоряними компаньйонами чи планетами. Натомість їхні менш розвинені аналоги — IMTTS — таких структур не демонструють.
У висновку своєї наукової статті автори зазначають, що спіралеподібна структура в дисках зір Гербіга, найімовірніше, свідчить про формування газових гігантських планет.
«Нарешті, наша модель передбачає, що диски з достатньою масою для формування планет навколо зір Гербіґа можуть існувати впродовж кількох мільйонів років, навіть за високих швидкостей акреції, які спостерігаються на цьому етапі еволюції, що дає час для формування газових гігантських планет у цих системах», — підсумовують дослідники.
За матеріалами phys.org
