19.12.2025. - Рост звезд способствует образованию планет-гигантов

Рост звезд способствует образованию планет-гигантов

Звезды образуются в массивных облаках газа, называемых молекулярными облаками. По мере своего формирования они выделяют газ из этих облаков, и по мере вращения звезд газ и пыль скапливаются во вращающемся диске вокруг звезды, называемом протопланетным диском. Как ясно из названия, именно здесь планеты образуются путем аккреции материала с диска.

Это простое объяснение чрезвычайно сложного процесса, который является предметом постоянных исследований в астрономии. Десятилетия исследований подтвердили основную предпосылку о том, что звезды постепенно накапливают материал из этих дисков, при этом часть его "выдувается" излучением звезды, а часть образует планеты.

Со временем протопланетный диск рассеивается, звезда перестает аккрецировать и достигает своей конечной массы, а планеты прекращают формироваться.

Однако заглянуть в эти среды, чтобы понять, что происходит, довольно сложно. Весь процесс скрыт плотным слоем газа и пыли, и многое из того, что известно, частично основано на наблюдениях, а частично - на теории. Таким образом, это объяснение подходит не для всех звезд.

Это работает для звезд примерно того же размера, что и Солнце, но не для звезд средней массы. Когда астрономы наблюдают звезды средней массы с массой от 1,5 до 4 масс Солнца, они обнаруживают, что они наращивают массу быстрее, чем ожидалось.

Новое исследование показывает, что вместо того, чтобы уменьшать их аккрецию с возрастом, звезды средней массы на более поздних этапах своего формирования испытывают быстрые всплески роста. Как ни странно, это не препятствует образованию планет, а наоборот, способствует росту газовых гигантов, таких как Юпитер.

Исследование под названием "Эволюция скорости аккреции молодых звезд средней массы: влияние на эволюцию диска и формирование планет" опубликовано в журнале Astronomical Journal, а ведущим автором является Шон Бриттейн. Бриттен - профессор кафедры физики и астрономии Университета Клемсона в Южной Каролине.

"Как и люди, звезды, похоже, проходят через подростковый период, когда они запоем едят", - говорится в пресс-релизе Бриттен. - В более позднем возрасте они растут быстрее, чем мы ожидали".

Исследование сосредоточено на двух типах звезд: звездах T-типа Тельца средней массы и звездах Хербига. Звезды T-типа Тельца - это молодые звезды до главной последовательности, а звезды Хербига - это то, во что превращаются звезды T-типа Тельца. Звезды Хербига находятся ближе к главной последовательности, но все еще формируются и по-прежнему находятся в своих дисках. Они массивнее и горячее солнца.

"Эта работа представляет собой исследование эволюции скоростей звездной аккреции звезд средней массы, предшествующих главной последовательности", - пишут авторы в своей исследовательской статье. "Мы сравниваем скорость аккреции молодых звезд средней массы типа T Тельца (IMTTSs) с более старыми звездами Хербига, в которые они эволюционируют".

Поскольку звезды накапливают материал, они также излучают энергию, и это лежит в основе нового исследования. Измерение излучаемой энергии позволяет астрофизикам измерить скорость роста звезды.

"Когда материал падает на звезду, высвобождается много энергии. Точно так же, как когда вы роняете стул, он издает шум или даже разбивается. В случае срастания материала высвобождаемая энергия намного больше. Мы можем рассматривать это как дополнительное излучение, исходящее от системы, и это позволяет нам определить скорость увеличения массы звезд", - сказал Бриттен.

Наблюдая за звездами Хербига, исследователи увидели, что скорость их аккреции увеличивается с возрастом по мере приближения звезд к зрелости.

"Это означало, что диски, окружающие эти звезды, должны быть действительно очень массивными. Это создало бы проблему, потому что такие массивные диски были бы нестабильны и распадались бы еще до того, как планеты успели бы сформироваться", - сказал Рене Аудмейер, член команды из Королевской обсерватории Бельгии.

Может показаться, что массивные диски способствуют образованию планет, но на самом деле все наоборот. Когда масса диска примерно на 10% превышает массу звезды или больше, он становится нестабильным. Они могут быстро распадаться на скопления, препятствуя постепенному образованию планет в результате столкновений и аккреции.

Когда исследователи наблюдали за звездами IMTTSS, они обнаружили, что скорость их аккреции была более чем в 10 раз ниже, чем у их более развитых аналогов - звезд Хербига.

"Вместо более высоких скоростей аккреции мы обнаружили значения, которые были в 30 раз ниже, чем у звезд Хербига. В некотором смысле, это решило бы проблему массы, поскольку диск изначально не должен быть таким массивным", - сказала Гвендолин Миус (Gwendolyn Meeus) из Автономного университета Мадрида в Испании.

Таким образом, снижение скорости аккреции у стареющих звезд Хербига означает, что массивные диски нестабильны, а нестабильность препятствует образованию планет. Еще более низкие скорости аккреции для IMTSS, по-видимому, решают проблему массы, поскольку диск изначально может быть меньше и все же допускать образование газовых гигантов.

Но это создает еще одну проблему: старые звезды наращивают массу гораздо быстрее, чем их молодые коллеги. Теория предсказывает, что это не может быть правдой; по сути, это не имеет смысла. Почему звезда должна накапливать меньше массы, когда ее больше, и больше массы, когда ее меньше?

"Теория предсказывает, что звезды со временем накапливают меньше вещества, а не больше. Это новое открытие нуждается в объяснении, основанном на хорошо обоснованной физике, если мы хотим изменить наше нынешнее мышление", - сказал Бриттен.

Исследователи приступили к работе над моделью, которая могла бы объяснить это. Их модель показывает, что аккреция обусловлена некоторым количеством излучения от звезды - дальним ультрафиолетовым излучением (FUV).

"Мы выдвинули физически правдоподобный сценарий, который объясняет систематическое увеличение звездной аккреции, основанное на повышении эффективной температуры звезд по мере их эволюции к главной последовательности нулевого возраста", - пишут исследователи в своей статье.

Вот их решение: более развитые звезды Хербига горячее, чем их более молодые аналоги IMTTS, и это большее нагревание заставляет звезду излучать больше FUV. "Таким образом, яркость излучения в дальнем ультрафиолетовом диапазоне (FUV) возрастет на порядки. Мы предполагаем, что это увеличение приводит к более высокой скорости звездной аккреции", - объясняют авторы.

FUV ионизирует больше газа в диске, что приводит к большей аккреции на звезду. Это происходит из-за магнитовращательной нестабильности (МРТ), основной силы, которая приводит к аккреции на звезду.

Звезды окружены собственными магнитными полями, и нейтральный газ плохо взаимодействует с ними. Но ионизированный газ взаимодействует. Он реагирует на силовые линии магнитного поля вокруг звезд. Когда газ становится сильно ионизированным, это фактически создает турбулентность в силовых линиях магнитного поля звезды. Турбулентность переносит угловой момент за пределы диска.

Это означает, что внутренние области диска имеют меньший угловой момент, и это позволяет звезде накапливать вещество быстрее.

Это, по-видимому, решает проблему формирования планет-гигантов вокруг звезд средней массы. Повышенная температура звезд Хербига приводит к быстрой аккреции, и более массивный диск не требуется.

"Понимание того, что более горячие звезды излучают больше ультрафиолетового излучения, чем более холодные, известно уже более 100 лет, и ожидания того, что ионизация диска играет важную роль в процессе аккреции, существуют уже несколько десятилетий", - сказал Бриттен.

"Эта работа олицетворяет собой эстафету научного прогресса, основанную на этих основных идеях и показывающую, что эти системы действительно имеют неожиданный поздний всплеск роста".

Эти результаты также согласуются с современными наблюдениями звезд Хербига. Наблюдения с помощью ALMA и прибора SPHERE на Очень большом телескопе показали, что в их дисках преобладают спиральные рукава. Для этих спиральных структур выдвигались различные объяснения, включая гравитационные волны или возмущения, вызванные спутниками, такими как коричневые карлики, звезды-компаньоны или планеты. Но у их менее развитых аналогов из IMTTS их нет.

В заключении своей исследовательской статьи авторы пишут, что "...спиральная структура среди звезд Хербига, скорее всего, является признаком образования газовых планет-гигантов".

"Наконец, наша модель допускает, что диски с массой, достаточной для формирования планет вокруг звезд Хербига, могут сохраняться в течение нескольких миллионов лет, даже при высоких темпах аккреции, наблюдаемых в этом эволюционном состоянии, что обеспечивает время для формирования газовых планет-гигантов в этих системах", - заключают они.

Источник