Планетообразующие диски эволюционируют удивительно подобным образом

Группа астрономов проанализировала распределение массы в более чем 870 планетообразующих дисках в облаке Ориона А. Используя статистические свойства этой беспрецедентно большой выборки дисков и разработав инновационную схему обработки данных, они обнаружили, что далеко от строгой среды, например горячих звезд, снижение масс дисков зависит лишь от их возраста. Результаты показывают, что, по крайней мере, в пределах 1000 световых лет от Земли планетообразующие диски и планетные системы эволюционируют подобным образом.

 

 Некоторые из самых интересных вопросов в современных астрономических исследованиях: "Как выглядят другие планетные системы?" и "Насколько солнечная система сопоставима с другими планетными системами?" Команда астрономов внесла весомый вклад в решение этих загадок.

«До сих пор мы не знали наверняка, какие свойства доминируют в эволюции планетарных дисков вокруг молодых звезд», — говорит Сиерк ван Тервисга из Института астрономии Макса Планка в Гейдельберге, Германия. Он – ведущий автор исследовательской статьи на эту тему, опубликованной в журнале Astronomy & Astrophysics. «Наши новые результаты показывают, что при любом внешнем влиянии наблюдаемая масса диска, доступная для формирования новых планет, зависит только от возраста системы звезда-диск», — добавляет ван Тервисга.

Масса диска является ключевым свойством при изучении эволюции планетообразующих дисков. Эта величина определяет, сколько материала доступно для превращения в планеты. В зависимости от возраста диска, масса может дать подсказки о планетах, которые уже присутствуют там. Внешние воздействия, такие как облучение и ветер от соседних массивных звезд, очевидно, влияют на выживаемость диска. Однако такие среды встречаются редко и эти процессы мало что раскрывают о самих дисках. Астрономов больше интересуют свойства самого диска, такие как возраст, химический состав или динамика родительского облака, из которого возникли молодые звезды со своими дисками.

Для наличия большего разнообразия, команда астрономов выбрала большую и хорошо известную область молодых звезд с дисками — облако Ориона А. Оно находится на расстоянии примерно 1350 световых лет от Земли. «Орион А предоставил нам беспрецедентно большую выборку из более чем 870 дисков вокруг молодых звезд. Важно было иметь возможность найти небольшие вариации в массах дисков в зависимости от возраста и даже от локальной среды внутри облака», – объясняет Альваро Хакар, соавтор работы, ученый из Венского университета в Австрии.

Эта выборка основана на более ранних наблюдениях с помощью космического телескопа Гершеля, позволившего идентифицировать диски. Сочетание нескольких длин волн дало критерий для оценки их возраста. Поскольку все они принадлежат одному облаку, астрономы ожидали незначительного влияния химического состава и изменений в истории облака. Они также избежали какого-либо влияния массивных звезд в расположенном неподалеку кластере Туманности Ориона (ONC), отбраковав диски ближе 13 световых лет.

Для измерения массы диска команда использовала Атакамский большой миллиметровый/субмиллиметровый массив (ALMA), расположенный на плато Чайнантор в чилийской пустыне Атакама. ALMA состоит из 66 параболических антенн, функционирующих как единый телескоп с настраиваемым угловым разрешением. Ученые применили режим наблюдения, позволивший им эффективно нацеливать на каждый диск на длине волны около 1,2 миллиметра. Холодные диски яркие в спектральном диапазоне. Не учитывая этого, вклад центральных звезд незначителен. Благодаря такому подходу, астрономы определили массу пыли в дисках. Однако наблюдения нечувствительны к объектам, размер которых превышает несколько миллиметров, например. камни и планеты. Поэтому команда эффективно измерила массу материала диска, способного образовывать планету.

Прежде чем вычислить массу диска, астрономы объединили и откалибровали данные от нескольких десятков телескопов ALMA. Эта задача становится достаточно сложной при работе с большими объемами данных. При использовании стандартных методов обработка собранных данных заняла бы месяцы. Вместо этого команда разработала новый метод с использованием параллельных вычислений. «Наш новый подход повысил скорость обработки в 900 раз», - отмечает соавтор Раймонд Оунк из SURF, компании-поставщика ИТ-услуг в сотрудничестве. 3000 процессорных часов, необходимых для выполнения задачи и подготовки данных для дальнейшего анализа, промигнули менее чем за день.

В общем, Орион А содержит планетообразующие диски, каждый из которых содержит пыль объемом до нескольких сотен земных масс. Однако из 870 дисков только 20 содержат пыль, эквивалентную 100 землям или более. В целом, стремительно уменьшается количество дисков с массой, преимущественно менее 2,2 земных масс пыли. «Для поиска вариаций мы разделили облако Orion A и проанализировали эти регионы отдельно. Благодаря сотням дисков подборки все еще были достаточно большими, чтобы дать статистически значимые результаты», — объясняет ван Тервисга.

На самом деле ученые обнаружили незначительные вариации в распределении масс дисков на масштабах в десятки световых лет в пределах Ориона А. Однако все они могут быть объяснены как возрастной эффект, т.е. в течение нескольких миллионов лет массы дисков имеют тенденцию уменьшаться в сторону более старых популяций. В пределах погрешности скопления планетообразующих дисков одного возраста демонстрируют одинаковое распределение массы. Нет ничего удивительного в том, что масса пыли в планетообразующих дисках уменьшается с течением времени. Ведь пыль является одним из сырьевых материалов для планет. Следовательно, формирование планет, безусловно, уменьшает количество свободной пыли. Другими хорошо известными процессами является миграция пыли в центр диска и испарение пыли под действием облучения от звезды-хозяина. Тем не менее, удивительно наблюдать столь сильную корреляцию между массой диска и возрастом.

Все эти диски вышли из той же среды, которая сейчас представляет собой облако Ориона A. Как это сравнивается с другими молодыми популяциями звездных дисков? Астрономы рассмотрели этот вопрос, сравнив свои результаты с несколькими соседними областями звездообразования с планетообразующими дисками. За исключением двух, все они хорошо соответствуют отношению массы и возраста, найденному в Орионе А. «В общем, мы думаем, что наше исследование доказывает, что, по крайней мере, в течение следующих 1000 световых лет или около того, все популяции планетообразующих дисков демонстрируют одинаковое распределение массы в определенном возрасте. И, кажется, они эволюционируют более-менее одинаково», – заключает Ван Тервисга. Результат может даже намекать на образование потрясающе похожих планетных систем.

В качестве следующего шага ученые будут рассматривать возможные воздействия рядом расположенных звезд в меньших масштабах в несколько световых лет. Хотя они избегали сильного поля излучения, вызванного массивными звездами в ONC, есть более слабые звезды, которые могут воздействовать на пыль в соседних дисках и изменять статистику массы диска. Такой вклад может объяснить некоторые отклонения, обнаруженные в отношении массы диска к возрасту. Полученные результаты могут помочь усилить общую картину эволюции планетообразующего диска, где доминирует возраст.