Наблюдения с помощью интерферометра очень большого телескопа (VLTI) Европейской южной обсерватории (ESO) обнаружили различные силикатные соединения и, возможно, железо — вещества, которые мы также находим в больших количествах на скалистых планетах Солнечной системы. 1 кредит

Происхождение Земли и Солнечной системы вдохновляет как ученых, так и общественность. Изучая нынешнее состояние нашей родной планеты и других объектов Солнечной системы, исследователи разработали подробную картину условий, когда они развивались из диска из пыли и газа, окружавшего молодое Солнце около 4,5 миллиардов лет назад.

Благодаря потрясающему прогрессу, достигнутому в исследованиях формирования звезд и планет, нацеленных на далекие небесные объекты, мы теперь можем изучать условия в среде вокруг молодых звезд и сравнивать их с условиями, полученными для ранней Солнечной системы. Используя интерферометр очень большого телескопа (VLTI) Европейской южной обсерватории (ESO), международная группа исследователей под руководством Йожефа Варги из обсерватории Конколи в Будапеште, Венгрия, сделала именно это. Они наблюдали планетообразующий диск молодой звезды HD 144432, находящийся примерно в 500 световых годах от нас.

«При изучении распределения пыли в самой внутренней области диска мы впервые обнаружили сложную структуру, в которой пыль скапливается в трех концентрических кольцах в такой среде», — говорит Рой ван Букель. Он является ученым из Института астрономии Макса Планка (MPIA) в Гейдельберге, Германия, и соавтором основной исследовательской статьи, которая появится в журнале Astronomy & Astrophysicals.

«Этот регион соответствует зоне формирования каменистых планет Солнечной системы», — добавляет ван Бокель. По сравнению с Солнечной системой первое кольцо HD 144432 находится в пределах орбиты Меркурия, а второе близко к траектории Марса. Более того, третье кольцо примерно соответствует орбите Юпитера.

До сих пор астрономы находили такие конфигурации преимущественно в более крупных масштабах, соответствующих царствам, находящимся за пределами того места, где Сатурн вращается вокруг Солнца. Кольцевые системы в дисках вокруг молодых звезд обычно указывают на планеты, формирующиеся внутри промежутков, когда они накапливают пыль и газ на своем пути.

Однако HD 144432 является первым примером такой сложной кольцевой системы, расположенной так близко к родительской звезде. Это происходит в зоне, богатой пылью, составной частью каменистых планет, таких как Земля. Предположив, что кольца указывают на присутствие двух планет, формирующихся внутри промежутков, астрономы оценили, что их массы примерно напоминают массу Юпитера.

Условия могут быть похожи на раннюю Солнечную систему

Астрономы определили состав пыли по всему диску до расстояния от центральной звезды, что соответствует расстоянию Юпитера от Солнца. То, что они обнаружили, очень знакомо ученым, изучающим Землю и каменистые планеты Солнечной системы: различные силикаты (соединения металла, кремния и кислорода) и другие минералы, присутствующие в земной коре и мантии, и, возможно, металлическое железо, которое присутствует в земной коре и мантии. Если это подтвердится, это исследование станет первым, в котором будет обнаружено железо в диске, образующем планету.

«До сих пор астрономы объясняли наблюдения за пылевыми дисками смесью углеродной и силикатной пыли, материалов, которые мы видим почти повсюду во Вселенной», — объясняет ван Бокель. Однако с химической точки зрения смесь железа и силиката более вероятна для горячих внутренних областей диска.

Действительно, химическая модель, которую Варга, основной автор основной исследовательской статьи, применил к данным, дает более точные результаты при введении железа вместо углерода.

Кроме того, пыль, наблюдаемая в диске HD 144432, может иметь температуру до 1800 Кельвинов (около 1500 градусов Цельсия) на внутреннем крае и умеренную до 300 Кельвинов (около 25 градусов Цельсия) дальше. Минералы и железо плавятся и снова конденсируются, часто в виде кристаллов, в горячих регионах вблизи звезды.

В свою очередь, частицы углерода не выдержат жары и вместо этого будут присутствовать в виде угарного газа или углекислого газа. Однако углерод все еще может быть важной составляющей твердых частиц в холодном внешнем диске, и наблюдения, проведенные в рамках этого исследования, не могут отследить его.

Пыль, богатая железом и бедная углеродом, также хорошо вписывается в условия Солнечной системы. Меркурий и Земля — планеты, богатые железом, тогда как Земля содержит относительно мало углерода. «Мы думаем, что диск HD 144432 может быть очень похож на раннюю Солнечную систему , которая давала много железа скалистым планетам, которые мы знаем сегодня», — говорит ван Бокель. «Наше исследование может служить еще одним примером, показывающим, что состав нашей Солнечной системы может быть весьма типичным».

Интерферометрия разрешает мельчайшие детали

Получение результатов было возможно только с помощью наблюдений исключительно высокого разрешения, предоставленных VLTI. Объединив четыре 8,2-метровых телескопа VLT в обсерватории ESO Паранал, они смогут различать детали так, как если бы астрономы использовали телескоп с главным зеркалом диаметром 200 метров. Варга, ван Букель и их коллеги получили данные с помощью трех инструментов для достижения широкого спектра длин волн в диапазоне от 1,6 до 13 микрометров, что соответствует инфракрасному свету.

Компания MPIA предоставила жизненно важные технологические элементы для двух устройств: GRAVITY и многоапертурного спектроскопического эксперимента в среднем инфракрасном диапазоне (MATISSE). Одна из основных целей МАТИССА — исследование скалистых зон планетообразования в дисках вокруг молодых звезд. «Глядя на внутренние области протопланетных дисков вокруг звезд, мы стремимся изучить происхождение различных минералов, содержащихся в диске — минералов, которые позже сформируют твердые компоненты планет, таких как Земля», — говорит Томас Хеннинг, директор MPIA и со-ПИ инструмента MATISSE.

Однако получение изображений с помощью интерферометра, подобных тем, которые мы привыкли получать с одиночных телескопов, является непростой задачей и требует очень много времени. Более эффективное использование драгоценного времени наблюдений для расшифровки структуры объекта — это сравнение разреженных данных с моделями потенциальных целевых конфигураций. В случае диска HD 144432 трехкольцевая структура лучше всего представляет данные.

Насколько распространены структурированные, богатые железом диски, образующие планеты?

Помимо Солнечной системы, HD 144432, по-видимому, представляет собой еще один пример формирования планет в среде, богатой железом. Однако астрономы не остановятся на достигнутом.

«У нас все еще есть несколько многообещающих кандидатов, ожидающих более пристального рассмотрения VLTI», - отмечает ван Бокель. В ходе более ранних наблюдений команда обнаружила ряд дисков вокруг молодых звезд , которые указывают на конфигурации, которые стоит пересмотреть. Однако они раскроют свою детальную структуру и химический состав с помощью новейшего оборудования VLTI. В конце концов астрономы, возможно, смогут выяснить, обычно ли планеты формируются в богатых железом пылевых дисках рядом с их родительскими звездами.