Астрономы увидели старт образования экзопланет в протопланетном диске. В нем началась конденсация твердых частиц

Астрономы впервые обнаружили момент начала формирования планетезималей в протопланетном диске в виде конденсации твердых частиц монооксида кремния. Это удалось сделать в ходе наблюдений за протозвездой HOPS-315 при помощи телескопов «Джеймс Уэбб» и ALMA. Статья опубликована в журнале Nature. 

Считается, что процесс образования планет и малых тел в диске, окружающем молодую звезду, стартует с конденсации в нем из газовой фазы первых твердых тугоплавких частиц. В случае Солнечной системы их представителями стали включения, богатые кальцием и алюминием (CAI), которые, преимущественно, состоят из оксидов алюминия и кальция и возникали в регионах протосолнечного диска с температурой не менее 1300 кельвин. Они обнаруживаются в метеоритах типа хондритов, куда были захвачены после своего формирования, и считаются древнейшим датированным твердым веществом в нашей планетной системе. Однако до недавнего времени начало формирования твердых частиц вблизи молодых звезд однозначно не наблюдалось.

Группа астрономов во главе с Мелиссой МакКлюр (Melissa McClure) из Лейденского университета сообщила, что впервые заметила момент старта образования твердых тел в диске протозвезды HOPS-315. Наблюдения за ней велись в ближнем и среднем инфракрасном и миллиметровом диапазонах при помощи «Джеймса Уэбба» и наземной системы радиотелескопов ALMA в марте и ноябре 2023 года.

HOPS-315 находится примерно в 1300 световых годах от Солнца в молекулярном облаке Орион B и представляет собой одиночную протозвезду класса I, окруженную околозвездным диском и пылевой оболочкой, наклоненными на сорок градусов к земному наблюдателю. Возраст протозвезды оценивается всего в 135 тысяч лет, она относится к спектральному классу K7, обладает массой 0,6 массы Солнца и светимостью 3,7 светимости Солнца. На протозвезду продолжается аккреция вещества из диска со скоростью 8,5 × 10−7 массы Солнца в год. Радиус диска составляет 45,6 астрономической единицы, при этом масса частиц пыли в нем с размерами около 870 микрометров оценивается в 105,6 массы Земли, что делает диск достаточно плотным и массивным. По расчетам, протозвезда станет звездой до главной последовательности с массой, близкой к массе Солнца, когда ее возраст составит около миллиона лет, а в ее диске уже может идти конденсация тугоплавких веществ, что делает HOPS-315 крайне интересной целью для будущих наблюдений. 

Спектры, полученные «Джеймсом Уэббом», демонстрируют наличие вблизи протозвезды монооксида кремния как в газовой фазе, так и в кристаллическом состоянии, а также молекулярного водорода, водяного пара, угарного и углекислого газов и некоторых льдов. Сравнение данных наблюдений с моделями говорит в пользу того, что монооксид кремния в твердой фазе представлен частицами форстерита и энстатита, которые находятся в относительно холодном слое над более горячим слоем, содержащим молекулярный водород и монооксид кремния в газовой фазе. Подобная картина описывается моделью «термостата» — радиально вытянутой зоны высокого давления во внутренней части диска, где достигается равновесие между процессами испарения и повторной конденсации силикатов. Для HOPS-315 наблюдается течение испаренного монооксида кремния из зоны «термостата» вверх, в более холодный слой с кристаллическим монооксидом кремния. При этом температура «термостата» по расчетам превышает 1200 кельвин, что тоже вписывается в модели.

Данные наблюдений ALMA подтверждают выводы, сделанные по данным «Джеймса Уэбба», не обнаруживая в миллиметровом диапазоне потоки газообразного монооксида кремния, которые заметны в инфракрасном диапазоне. Это означает, что радиус зоны излучения потоков в последнем случае меньше 2,2 астрономических единиц, что согласуется с оценкой радиуса, выведенного по данным «Джеймса Уэбба» — от 1 до 1,2 астрономической единицы.

Исследователи посчитали, что твердые силикаты, наблюдаемые в HOPS-315, могут быть аналогом амебоидных агрегатов оливина (AOA), обнаруживаемых в метеоритах, которые конденсировались после CAI. Монооксид кремния не может распространяться в сторону протозвезды, поэтому, скорее всего, регистрируемые твердые силикаты задерживаются за пределами «термостата», в котором возникли за счет повторной конденсации. Если учесть, что первые планетезимали в Солнечной системе возникли спустя 0,1–0,3 миллиона лет после образования CAI, то в HOPS-315 наблюдаются процессы, аналогичные тем, которые привели к возникновению в Солнечной системе как частиц CAI, так и частиц AOA.

Телескопу ALMA также принадлежит честь обнаружения первых достоверно известных околопланетных дисков, которые отмечают более поздние стадии формирования планет.

Источник