Телескоп Джеймса Вебба виявив сліди гігантських зіткнень планет

Навколо низки молодих зір астрономи знайшли дивні, надзвичайно запилені кільця — так звані екстремальні уламкові диски. Новий аналіз 21 такої системи показує, що цей пил, ймовірно, є продуктом потужних зіткнень між зародковими планетами розміром з Місяць або Марс. Про результати повідомляє команда, яка використала дані космічних телескопів у статті на Sci.News.

Що таке «екстремальні» уламкові диски

Уламкові диски — це пояси пилу й дрібних частинок навколо зір, що лишилися після формування планет. Відомі приклади — диски навколо зір Вега та Фомальгаут. Проте в новому дослідженні розглядається особливий підклас — екстремальні уламкові диски (Extreme Debris Disks, EDD), які за своїми властивостями сильно відрізняються від типових холодних дисків.

За словами провідної авторки, астрономки Кейт Су (Kate Su) з Інституту космічної науки, уперше зібрано достатню вибірку таких систем, щоб створити цілісну картину їхньої природи. До появи телескопа Джеймса Вебба інформація про ці диски була дуже обмеженою, і було лише зрозуміло, що вони «дивні» і нетипові.

Спостереження за допомогою Вебба та Спітцера

Команда проаналізувала середньоінфрачервоні спектри 21 екстремального уламкового диска. Шістнадцять із них спостерігалися інструментом MIRI на борту космічного телескопа Джеймса Вебба (NASA/ESA/CSA), ще п’ять — телескопом «Спітцер» NASA.

Для 12 систем це перші повні середньоінфрачервоні спектри, які дозволили детально вивчити склад і властивості пилу. Саме спектри дали змогу відокремити ці диски від звичайних протопланетних та старших уламкових дисків.

Н незвичайний пил і сліди високих температур

Пил у екстремальних уламкових дисках виявився суттєво іншим. Частинки тут переважно мають субмікронні розміри — вони менші за кількамікронні зерна, характерні для протопланетних дисків, — і їх дуже багато у так званому оптично тонкому стані, коли світло зірки майже вільно проходить крізь цей матеріал.

Спектри свідчать, що зерна пилу зазнали сильного нагрівання та перебудови: зафіксовано високий вміст кристалічних силікатів, а в частині систем — ще й силіки (діоксиду кремнію). Восьмеро з 21 диска, тобто близько 38%, класифіковано як багаті на силіку, тоді як серед протопланетних дисків таких менше 10%.

На думку дослідників, силіка утворюється, коли під час зіткнень кам’яниста порода випаровується, а потім пара швидко конденсується. Подібні процеси відомі і на Землі та Місяці, де в уламках від ударів з’являються склоподібні сферули. Кристалічні силікати, наприклад форстерит, можуть виникати під час конденсації з газу або внаслідок відпалу, коли існуючий пил нагрівається й перебудовується.

Зіткнення зародкових планет

Аналіз складу пилу дозволив пов’язати різні типи екстремальних дисків з різними сценаріями зіткнень. За оцінками авторів, силікою багаті диски — наслідок наденергійних зіткнень між великими планетарними ембріонами, порівнянними за розмірами з Марсом.

Натомість силіка-бідні диски, у яких домінують кристалічні силікати, можуть виникати в результаті менш енергійних подій: зіткнень менших тіл, близьких за розміром до Місяця, або відносно повільних «ковзних» ударів.

Астрономка Агнес Кошпал (Agnes Kospal) з Конкоїльської обсерваторії зазначає, що спектри Вебба з яскравими інфрачервоними лініями — фактично єдиний спосіб досліджувати такі планетарні ембріони. Без цих зіткнень вони були б занадто малими і слабкими, щоб їх можна було побачити безпосередньо.

Вік зірок і «стряска» планетних систем

Силікою багаті екстремальні диски виявлено лише навколо зір, молодших за приблизно 300 мільйонів років. Це узгоджується з комп’ютерними моделями, за якими фаза гігантських ударів у формуванні землеподібних планет триває перші кількасот мільйонів років і поступово згасає.

Водночас у вибірці є три екстремальні диски старших за 300 мільйонів років. Усі вони силіка-бідні, але мають дуже сильні спектральні особливості біля 10 мікрон, що вказує на велику кількість дрібного пилу. Команда припускає, що подібні системи — можливі «маяки» пізньої динамічної нестабільності, коли планети або великі тіла змінюють орбіти й збурюють менші об’єкти, спричиняючи нову хвилю зіткнень.

Зв’язок з історією Сонячної системи

Події, які нині спостерігаються в інших системах, мають прямий стосунок до історії Сонячної системи. За поширеними моделями, утворення Місяця та раннє «налаштування» Землі також пов’язані з гігантськими ударами між протопланетами.

Дослідження екстремальних уламкових дисків дає змогу «зазирнути» у цю бурхливу фазу еволюції, але вже на прикладі інших зірок. Як підкреслює Кейт Су, історія формування кам’янистих планет і еволюції гігантів — це частини єдиного сюжету про виникнення планетних систем. Нові спостереження допомагають поступово складати цю загальну картину.

Робота опублікована в журналі Astrophysical Journal під назвою «Extreme Debris Disks: Insights into Violent Collisions in Planet Formation and Destruction».