Протопланетные диски эволюционируют сходным образом

Группа астрономов под руководством Зирка ван Тервисги из Института астрономии Макса Планка проанализировала распределение массы более 870 дисков, формирующих планеты, в облаке Ориона А. Используя статистические свойства этой беспрецедентно большой выборки дисков и разработав инновационную схему обработки данных, они обнаружили, что вдали от суровых условий, таких как горячие звезды, уменьшение массы дисков зависит только от их возраста. Результаты показывают, что по крайней мере в пределах 1000 световых лет от Земли диски и планетные системы, формирующие планеты, развиваются сходным образом. Некоторые из самых волнующих вопросов в современных астрономических исследованиях: «Как выглядят другие планетные системы?» и «Насколько Солнечная система сопоставима с другими планетными системами?» Команда астрономов внесла решающий вклад в решение этой загадки.

«До сих пор мы не знали наверняка, какие свойства доминируют в эволюции дисков, образующих планеты вокруг молодых звезд», — говорит Зирк ван Тервисга, ученый из Астрономического института Макса Планка в Гейдельберге, Германия. Он является ведущим автором основной исследовательской статьи, опубликованной сегодня в журнале Astronomy & Astrophysics. «Наши новые результаты теперь показывают, что в средах без какого-либо соответствующего внешнего воздействия наблюдаемая масса диска, доступная для формирования новых планет, зависит только от возраста системы звездного диска», — добавляет ван Тервисга. Масса диска является ключевым свойством при изучении эволюции дисков, образующих планеты. Это количество определяет, сколько материала доступно для преобразования в планеты. В зависимости от возраста диска он также может дать подсказки о уже присутствующих там планетах. Внешние эффекты, такие как излучение и ветры от близлежащих массивных звезд, очевидно, влияют на выживание диска. Однако такие среды встречаются редко, и эти процессы мало что говорят о самих дисках. Вместо этого астрономов больше интересуют свойства внутреннего диска, такие как возраст, химический состав или динамика родительского облака, из которой возникли молодые звезды с их дисками.

Чтобы распутать различные вклады, команда астрономов выбрала большую и хорошо известную область молодых звезд с дисками, облако Ориона А. Она находится примерно в 1350 световых годах от Земли. «Орион А предоставил нам беспрецедентно большую выборку из более чем 870 дисков вокруг молодых звезд. Было крайне важно иметь возможность искать небольшие изменения в массе диска в зависимости от возраста и даже от локальной среды внутри облака», — Альваро. Объясняет Хакар, соавтор и ученый из Венского университета, Австрия. Образец получен из более ранних наблюдений с помощью космического телескопа Гершель, которые позволили идентифицировать диски. Объединение нескольких длин волн дало критерий для оценки их возраста. Поскольку все они принадлежат к одному и тому же облаку, астрономы ожидали, что химический состав и изменения в истории облаков окажут незначительное влияние. Они также избежали столкновения с массивными звездами в соседнем скоплении туманности Ориона (ONC), отбрасывая диски, расположенные ближе 13 световых лет.

Для измерения массы диска команда использовала большой миллиметровый/субмиллиметровый массив Atacama (ALMA), расположенный на плато Чайнантор в чилийской пустыне Атакама. ALMA состоит из 66 параболических антенн, функционирующих как единый телескоп с регулируемым угловым разрешением. Ученые применили режим наблюдения, который позволил им эффективно нацеливаться на каждый диск на длине волны около 1,2 миллиметра. Холодные диски ярки в этом спектральном диапазоне. С другой стороны, вклад центральных звезд пренебрежимо мал. При таком подходе астрономы определили массу пыли дисков. Однако наблюдения нечувствительны к объектам, намного превышающим несколько миллиметров, например. камни и планеты. Поэтому команда эффективно измерила массу материала диска, способного образовывать планеты.

Прежде чем рассчитать массы дисков, астрономы объединили и откалибровали данные нескольких десятков телескопов ALMA. Эта задача становится довольно сложной при работе с большими наборами данных. При использовании стандартных методов обработка собранных данных заняла бы месяцы. Вместо этого команда разработала новый метод с использованием параллельных компьютеров. «Наш новый подход повысил скорость обработки в 900 раз», — отмечает соавтор Рэймонд Унк из сотрудничающего с нами поставщика ИТ-услуг SURF. 3000 процессорных часов, необходимых для завершения задачи и подготовки данных для последующего анализа, ушли менее чем за сутки.

В целом Орион А содержит диски, формирующие планеты, каждый из которых содержит пыль массой до нескольких сотен масс Земли. Однако из 870 дисков только 20 содержат пыль, эквивалентную 100 или более земным шарам. В целом количество дисков быстро уменьшается с увеличением массы, причем большинство из них содержит менее 2,2 земных масс пыли. «Чтобы найти вариации, мы расчленили облако Ориона А и проанализировали эти регионы по отдельности. Благодаря сотням дисков подвыборки все еще были достаточно большими, чтобы давать статистически значимые результаты», — объясняет ван Тервисга.

Действительно, ученые обнаружили незначительные вариации в распределении массы диска в масштабе десятков световых лет внутри Ориона А. Однако все они могут быть объяснены возрастным эффектом, означающим, что в течение нескольких миллионов лет массы диска имеют тенденцию уменьшаться в сторону уменьшения. старшее население. В пределах погрешности скопления планетообразующих дисков одного возраста демонстрируют одинаковое распределение массы. Совсем не удивительно, что масса пыли в дисках, образующих планеты, со временем уменьшается. Ведь пыль — это одно из сырьевых материалов для планет. Следовательно, формирование планет, безусловно, уменьшает количество свободной пыли. Другими хорошо известными процессами являются миграция пыли к центру диска и испарение пыли под действием излучения родительской звезды. Тем не менее, удивительно видеть такую сильную корреляцию между массой диска и возрастом.

Все эти диски возникли из той же среды, которая сейчас составляет облако Orion A. Как это соотносится с другими молодыми популяциями звездного диска? Астрономы ответили на этот вопрос, сравнив свои результаты с несколькими близлежащими областями звездообразования с дисками формирования планет. За исключением двух, все они хорошо соответствуют соотношению массы и возраста, найденному в Орионе А. «В целом, мы считаем, что наше исследование доказывает, что, по крайней мере, в течение следующих 1000 световых лет или около того, все популяции дисков, формирующих планеты, демонстрируют одинаковые массовое распространение в данном возрасте. И они, похоже, развиваются более или менее одинаково», — заключает ван Тервисга. Результат может даже намекнуть на формирование поразительно похожих планетных систем.

В качестве следующего шага ученые рассмотрят возможные удары близлежащих звезд в меньших масштабах в несколько световых лет. Хотя они избегали сильного радиационного поля, вызванного массивными звездами в ONC, есть потенциально более слабые звезды поля, которые могут влиять на пыль в соседних дисках и изменять статистику массы диска. Такие вклады могут объяснить некоторые отклонения, обнаруженные в отношении массы диска к возрасту. Результаты могут помочь укрепить общую картину эволюции диска, формирующего планету, с преобладанием возраста.

Источник