Найден ответ на вопрос об отсутствии угарного газа в протопланетных дисках
Во всех наблюдениях за дисками отсутствует огромный кусок угарного газа, если верны текущие предсказания астрономов о его содержании. Теперь новая модель, подтвержденная наблюдениями с помощью ALMA, разрешила загадку: угарный газ скрывался в ледяных образованиях внутри дисков. Находки описаны сегодня в журнале Nature Astronomy.
Художественная иллюстрация планетарного диска, области пыли и газа, где формируются планеты. На увеличенной вставке показаны молекулы монооксида углерода в ледяной фазе. Предоставлено: М. Вайс/Центр астрофизики | Гарвард и Смитсоновский институт
Астрономы часто наблюдают угарный газ в планетарных рассадниках. Соединение очень яркое и чрезвычайно распространено в протопланетных дисках — областях пыли и газа, где планеты формируются вокруг молодых звезд, — что делает его главной целью для ученых.
Но за последнее десятилетие или около того, что-то не складывается, когда дело доходит до наблюдений за угарным газом, говорит Дайана Пауэлл, научный сотрудник НАСА Хаббла в Центре астрофизики Гарвардского и Смитсоновского института.
Во всех наблюдениях за дисками отсутствует огромный кусок угарного газа, если верны текущие предсказания астрономов о его содержании.
Теперь новая модель, подтвержденная наблюдениями с помощью ALMA, разрешила загадку: угарный газ скрывался в ледяных образованиях внутри дисков. Находки описаны сегодня в журнале Nature Astronomy.
«Возможно, это одна из самых больших нерешенных проблем в дисках, формирующих планеты», — говорит Пауэлл, руководивший исследованием. «В зависимости от наблюдаемой системы содержание окиси углерода в 3-100 раз меньше, чем должно быть; это действительно огромное отклонение».
И неточности определения угарного газа могут иметь огромное значение для области астрохимии.
«Угарный газ в основном используется для отслеживания всего, что мы знаем о дисках, например массы, состава и температуры», — объясняет Пауэлл. «Это может означать, что многие из наших результатов для дисков были предвзятыми и неопределенными, потому что мы недостаточно хорошо понимаем соединение».
Заинтригованная тайной, Пауэлл надела шляпу детектива и положилась на свой опыт в физике фазовых переходов — когда материя переходит из одного состояния в другое, подобно газу, превращающемуся в твердое тело.
По наитию Пауэлл внес изменения в астрофизическую модель, которая в настоящее время используется для изучения облаков на экзопланетах или планетах за пределами нашей Солнечной системы.
«Что действительно особенного в этой модели, так это то, что в ней подробно описана физика образования льда на частицах», — объясняет она. «Итак, как лед зарождается на мелких частицах, а затем как он конденсируется. Модель тщательно отслеживает, где находится лед, на какой частице он расположен, насколько велики частицы, насколько они малы, а затем как они перемещаются».
Пауэлл применил адаптированную модель к планетарным дискам, надеясь получить более глубокое понимание того, как монооксид углерода эволюционирует с течением времени в планетарных питомниках. Чтобы проверить достоверность модели, Пауэлл затем сравнил ее результаты с реальными наблюдениями ALMA за угарным газом в четырех хорошо изученных дисках — TW Hya, HD 163296, DM Tau и IM Lup.
По словам Пауэлла, результаты и модели сработали очень хорошо.
Новая модель согласовывалась с каждым из наблюдений, показывая, что в четырех дисках на самом деле вообще не было угарного газа — он просто превратился в лед, который в настоящее время невозможно обнаружить с помощью телескопа.
По словам Пауэлла, радиообсерватории, такие как ALMA, позволяют астрономам наблюдать за угарным газом в космосе в его газовой фазе, но с современными технологиями гораздо сложнее обнаружить лед, особенно большие образования льда.
Модель показывает, что, в отличие от предыдущих представлений, угарный газ образуется на крупных частицах льда, особенно по прошествии одного миллиона лет. До миллиона лет газообразный монооксид углерода был в изобилии и обнаруживался в дисках.
«Это меняет то, как мы думали, что лед и газ распределяются по дискам», — говорит Пауэлл. «Это также показывает, что детальное моделирование, подобное этому, важно для понимания основ этих сред».
Пауэлл надеется, что ее модель можно будет дополнительно подтвердить с помощью наблюдений с помощью телескопа Уэбба НАСА, который может быть достаточно мощным, чтобы наконец обнаружить лед в дисках, но это еще предстоит выяснить.
Пауэлл, которая любит фазовые переходы и сложные процессы, стоящие за ними, говорит, что в восторге от их влияния. «Физика мелкомасштабных льдообразований влияет на формирование и эволюцию диска — вот это действительно круто».
