Радиотелескоп ALMA помогает исследовать эволюцию протопланетного вещества

Иногда бывает так, что астрономы стремятся найти одно, а находят совершенно другое явление, причем не менее интересное. Так, группа ученых под руководством Нинке ван дер Марель, используя данные радиотелескопа ALMA, искали место, в котором можно проследить начальные этапы зарождения планет. А в итоге наткнулись на фабрику, производящую кометы!

Радиотелескоп ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), построенный в Атакаме большой комплекс радиотелескопов миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов, позволит ученым разглядеть мелкодисперсные образования в невероятных космических далях. Для этого создан уникальный комплекс приборов, и первые открытия по данным этого телескопа позволяют оценивать размеры и рост пылинок в протопланетных дисках. Из этого "строительного материала" воссоздаются более крупные тела, а затем формируются планеты и спутники… Поэтому очень важно исследовать самое начало эволюции протопланетного вещества.

АLMA — единственный в своем роде наиболее точный радиотелескоп, расположенный на плато Чахнантор в Чили, высоко в горах. На сегодняшний день он представляет собой настоящее достояние человечества, появившееся как результат международного партнерства ученых Европы и Америки. Уже заработали 66 антенн на высоте 5000 м над уровнем океана, эти прецизионные устройства сохраняют свои параболические конфигурации (при морозе и ветре!) с точностью почти невероятной — человеческий волосок гораздо толще допустимых вариаций.

Пылевые частицы в космосе — интереснейший компонент для исследований. Ранее увидеть космическую пыль было сложно: помогали косвенные проявления. Космическая пыль могла закрывать нечто светящееся, или освещаться, проявляя себя. Открытие, сделанное на телескопе ALMA, наконец-то позволило досконально разобраться с механизмом роста размера частиц в протопланетных дисках и образования из них тел значительных размеров.

Экзопланеты, методы наблюдений для которых позволяют их обнаруживать день за днем во все возрастающем количестве, и наша Солнечная система с гораздо более исследованными планетами озадачивает ученых-планетологов главной проблемой — что представляет собой конкретный механизм образования этих небесных тел? Гипотезы есть самые разные, но для полноты картины формирования планет доказательств у астрофизиков пока недостаточно.

Разработаны специалистами компьютерные модели, начинающиеся с процесса слипания пылевых мелких частиц, это первый этап коагуляции материи. После первичного роста размеров частиц прогнозируется второй этап — столкновения укрупненных масс вещества опять же приводят к их дроблению, или фрагментации на меньшие по размеру тела. При частых взаимных столкновениях теряется часть кинетической энергии, обломки и пыль должна высыпаться на центральное гравитирующее тело, выбывая из игры и уменьшая количество материи в протопланетном диске, где создаются планеты. Где же, в конце концов, наиболее вероятно создание планет, а где останутся обломки, подобные малым телам, но уже "обкатанные" в столкновениях? На эти и множество иных вопросов надо дать ответ, и помочь в этом могут данные ALMA и имеющиеся подсказки планет Солнечной системы.

Для конструирования новейших моделей, призванных уточнить и исправить старые модели, основанные на априорных заданиях начальных условий, сотрудники (Нидерланды) и аспирантка Нинке ван дер Марель исследовали околозвездный диск в системе Oph-IRS 48 на расстоянии в 400 световых лет от Земли, используя данные радиотелескопов комплекса ALMA, и обнаружили в диске особенности, проливающие свет на трансформации материи при формировании укрупняющихся частиц.

В диске выявлен кольцевой зазор — предположительно созданный еще не открытой планетой, прочистившей пыль в пространстве вокруг себя благодаря своей гравитации. Изменив условия наблюдения, ученые смогли рассмотреть расположение пыли более крупного, миллиметрового размера, и тогда обнаружилось обстоятельство, что для крупной пыли нет кольцеобразной щели! "Сначала форма, образованная частицами пыли, стала для нас полной неожиданностью, — комментирует Нинке ван дер Марель — вместо кольцеобразной структуры, которую мы ожидали увидеть на снимке, обнаружилась форма, в точности похожая на орех кешью! Нам пришлось убеждать себя, что это образование реально, но сила сигнала и четкость наблюдений ALMA не оставляли сомнений относительно ее структуры".

Компьютерное моделирование подтвердило, что при однократном возникновении такой неоднородности в протопланетном диске она может накапливать все большее количество частиц на протяжении длительного времени. Следовательно, астрономы обнаружили регион в протопланетном газопылевом диске, где пыль крупного размера была поймана в ловушку, по изогнутой форме напоминающей орех кешью. Нечто вроде центральной части ловушки, в которой пыль может расти, не дробясь при столкновениях, ибо скорость всех частиц в таком центре очень мала. Тамошние пылевые частицы слипаются и растут до еще более значительных размеров. Она напоминает "око" циклона — спокойный его центр, вокруг которого несется циклонический вихрь в атмосфере.

Читайте также: Кометы возле Кита совсем разбушевались

Специалисты обсуждают полученные наблюдения, отмечая, что микрометровые гранулы зоны "ореха кешью" вряд ли могут быть зародышами планет. Это расположение слишком далекое от центрального светила. На таких расстояниях, о которых говорят астрономы, скорее всего могут формироваться только лишь малые тела, а не планеты. Поэтому авторы исследования говорят о том, что "мы видим какую-то разновидность "фабрики комет", в которой миллиметровая пыль может вырасти до объектов кометного размера", уверена Нинке ван дер Марель.

Здесь следует заметить, что качество пылевых частиц конкретно не исследовано и состав их неизвестен. Кометные тела в Солнечной системе состоят из смеси кометного льда с минеральными примесями, и почему преимущественно кометы "водяные" — пока тоже является загадкой. Типично ли это для иных планетных систем, или в Солнечной системе своя популяция малых тел именно такого состава?

Астрономы ожидают ввода в строй новых мощностей массива радиотелескопов ALMA, поскольку стартовавший комплекс пока ввел в строй всего половину прецизионных приемников. По мере улучшения наблюдений в будущем имеется возможность проанализировать пылевые ловушки ближе к звезде, где могут быть выявлены регионы формирования экзопланет. Совершенствование методов и точность наблюдений в радиодиапазоне ALMA открывает замечательные перспективы в исследовании эволюции протопланетных облаков пылевой материи.