газ

Три шкафа с камнями. В одном — металлические крупицы и серый минерал энстатит, во втором — те же крупицы, но с ржавыми прожилками, в третьем — слоистые глины, набухшие от воды. Все три набора достали из метеоритов, упавших на Землю, — хондритов. Они родились в одном газопылевом диске вокруг молодого Солнца, но почему-то вышли такими разными.

В тёмной кухне молекулярного облака Тельца, в 450 световых годах от нас, готовятся десятки планетных систем. Каждая молодая звезда — это повар, а её протопланетный диск — стол, заваленный мукой-пылью и паром-газом. До сих пор астрономы видели только готовые «блюда» — уже сформированные планеты.

Вокруг молодых звёзд вращаются плоские газопылевые облака — протопланетные диски, колыбели будущих планетных систем. В некоторых из них центральная область зияет пустотой: газ и пыль выметены, словно кто-то проредил середину виниловой пластинки. Такие диски с внутренними полостями астрономы называют переходными.

Звезда — это не просто далёкое солнце. Это колыбель для планет, которая хранит в своём свете историю рождения всей системы. Химический состав звезды — её ДНК. Астрономы вглядываются в эту ДНК, чтобы понять, почему вокруг одних звёзд кружатся каменистые шары вроде Земли, а вокруг других — газовые гиганты.

На концерте в плотной толпе каждый шаг даётся с трудом — чем теснее, тем меньше хочется двигаться. Так обычно ведёт себя и активная материя: рои бактерий или стаи роботов замирают в тесноте. Но одна группа исследователей обнаружила обратный эффект.

Семьдесят два протопланетных диска — вращающихся газопылевых кокона, полных космической пыли и газа, — попали под прицел инструмента MIRI на JWST. У большинства в космос вырываются потоки: плотные конические структуры и тонкие скоростные струи. Они бьют, как фонтаны. Этот процесс не случаен.

Тёмную материю не видят в телескопы, но её гравитацию полвека назад выдала Вера Рубин. С тех пор физики перебрали десятки гипотез, и одна из самых элегантных — первичные чёрные дыры, возникшие в первые мгновения после Большого взрыва.

Среди раскаленных экзопланет, что кружатся в опасной близости от своих звезд, скрывается тайна рождения. Почти три десятилетия назад Мишель Майор и Дидье Кело открыли первый такой мир, и с тех пор астрономов мучает вопрос: как газовый гигант оказывается притиснутым к самому лику звезды?

Словно тончайший часовой механизм, многопланетная система чутко реагирует на малейший толчок. И когда звезда в центре этого механизма умирает, сбрасывая оболочку и превращаясь в белый карлик, даже скромный пинок со скоростью 0,75 км/с способен запустить каскад событий, выбрасывающих целые миры в межзвёздную пустоту.

Когда звезда умирает, она превращается в белого карлика — плотный шар из углерода и кислорода размером с Землю. Предсказанные Субраманьяном Чандрасекаром, эти объекты долго считались безжизненными кладбищами.

Субнептун — это планета, которая по размеру находится между Землёй и Нептуном. Таких миров очень много в нашей Галактике, но их устройство до сих пор вызывает споры. Новое исследование показывает, что в молодости эти планеты ведут себя как губка, пропитанная водой. Роль воды играет водород — самый лёгкий газ во Вселенной.

Звёзды зарождаются в холодных молекулярных облаках, состоящих из космической пыли и водорода. Внутри этих плотных коконов скрыты протозвёзды — ядра будущих светил, которые долгое время считались просто горячими сгустками вещества.

Долгое время Уран и Нептун классифицировали как «ледяные гиганты», предполагая, что под их атмосферами залегают мощные слои замёрзшей воды, метана и аммиака. Однако новые расчёты, выполненные учёными, предлагают совершенно иную картину внутреннего строения.

Планета размером с Нептун, но раскалённая добела. Под облаками — океан магмы, способный впитать целую атмосферу водорода. Новая модель SEAMIST впервые проследила, как такое растворение меняет судьбу планеты от рождения до старости. Главный сюрприз — механизм катастрофического выкипания.

Телескоп Джеймса Уэбба заглянул в протопланетный диск — газопылевое облако вокруг молодой звезды, где рождаются планеты, — и впервые спектроскопически различил лёд из тяжёлой воды.

Густая похлёбка медленно остывает в кастрюле. Внезапно огонь под ней вспыхивает, и похлёбка начинает бурлить, разбиваясь на множество маленьких водоворотов. Примерно так же ведёт себя диск из газа и пыли вокруг молодой звезды, когда та переживает вспышку — резкий приток вещества из диска на звезду.

В сборке Солнечной системы, словно в дегустационном меню высокой кухни, рецепт не всегда фиксирован заранее — иногда последний ингредиент добавляется, когда блюдо уже на огне. Таким ингредиентом для внешних планет стал поток вещества из молекулярного облака, впрыснутый в протопланетный диск спустя миллионы лет после начала аккреции.

Юный супер-юпитер TWA5B — раскалённый шар массой в 25 Юпитеров — парит всего в полусотне световых лет от нас. Его тусклое инфракрасное свечение долго скрывало химический состав. Теперь высокоразрешающая спектроскопия с CRIRES+ зарегистрировала призрачный след SiO — монооксида кремния.

Детский сад, где одни малыши лепят куличики из песка, а другие уже собирают конструктор. Примерно так выглядит система звезды V1298 Tau: ей всего 20 миллионов лет — по космическим меркам, она только вышла из яслей. Вокруг неё кружатся несколько планет, и две из них, b и e, оказались удивительно разными.

Космический учёт дал сбой. Бухгалтер сводит баланс: в одной колонке — все планеты, которые астрономы насчитали в Галактике, в другой — запасы строительного материала в пылевых коконах новорождённых звёзд. Цифры не бьются. Даже если собрать всю пыль до последней крупинки и слепить из неё планеты, материала не хватит.

В городском парке деревья растут быстрее, чем в глухом лесу. Не потому, что почва лучше, а потому, что здесь чаще сталкиваются ветвями и обмениваются семенами. Примерно так же ведут себя галактики в протоскоплении Паутина — огромном сгустке материи, который через миллиарды лет станет зрелым скоплением.

Огромный вращающийся блин из газа и пыли окружает молодую звезду. В таком «родильном доме» для планет часто видят кольца и промежутки — будто невидимый плуг прочертил борозды. Обычно их связывают с уже сформировавшимися планетами, которые своей гравитацией расчищают дорожки.

Молодая звезда окружена плоским вращающимся диском из газа и пыли — как тесто для пиццы, которое раскрутили. Внутри такого диска рождаются планеты. Но у трёх звёзд — Elias 2-24, IM Lup и DM Tau — астрономы заметили нечто странное: далеко за краем яркого диска тянется еле различимое, но огромное пылевое гало.

В диске из газа и пыли вокруг молодой звезды частицы пыли ведут себя как песчинки в потоке воды: газ течёт быстрее, пыль отстаёт, и между ними возникает трение. Это трение способно раскачивать магнитные волны, которые бегут по диску. Галактика полна таких дисков — именно в них рождаются планеты.

Новорождённая звезда похожа на кухонный миксер: она взбивает окружающее облако, и во все стороны летят брызги. Только вместо теста — газ и пыль. Раньше астрономы видели лишь газовые струи, а пыль считали слишком хрупкой: ударная волна должна разбивать пылинки на атомы.

Нужно рассмотреть снежинку, не дав ей растаять и не повредив. Примерно такая задача стоит перед учёными, которые хотят изучать отдельные белки — крошечные молекулярные машины жизни. Белок в растворе постоянно дрожит и слипается с соседями, а в электронном микроскопе его разрушает луч.

Повар добавляет в тесто больше сахара — и пирог получается другим. Так и звезда: состав её «теста» — облака газа и пыли, из которого рождаются планеты, — определяет, какие миры появятся вокруг неё.

В холодных облаках межзвёздного газа тянутся длинные плотные нити. В них, как в переполненных инкубаторах, зреют будущие звёзды. Долгое время считалось, что внутри таких нитей всё подчинено гравитации: вещество плавно стекается к центрам, где плотность растёт и в конце концов вспыхивает звезда. Но новые наблюдения показывают иную картину.

Химический детектив, вооружённый масс-спектрометром — прибором, разделяющим и взвешивающим молекулы по их массе (тот же принцип используют земные криминалисты для анализа улик), — отправляется на поиски жизни.

В холодных окраинах Солнечной системы вода считается главным строительным материалом льдов. Но у некоторых комет и далёких ледяных тел соотношение угарного газа (CO) к воде необычно высокое — будто в мороженом вдруг оказалось слишком много сиропа. Откуда берётся такой перекос, попытались выяснить авторы новой работы.

Когда пекарь замешивает тесто, по крупинкам муки можно сказать, с какой мельницы она привезена. Так и с Землёй: состав железа в её недрах хранит память о том, где родились те куски, из которых планета собралась.

На заре Земли, около четырёх миллиардов лет назад, планета была суровым местом: тусклое солнце, частые удары астероидов, воздух без кислорода. В таких условиях первые шаги жизни кажутся почти невозможными. Но есть гипотеза, что жизнь укрылась в тёплых мелких прудах, где вода то высыхала, то вновь наполнялась.

В юности наше Солнце излучало примерно на 30% меньше энергии, чем сегодня, — этот парадокс слабого молодого Солнца долго не давал покоя планетологам: при таком дефиците тепла земные океаны должны были замёрзнуть, однако геологические свидетельства говорят об обратном.

Ледяная глыба летит сквозь Солнечную систему по незамкнутой траектории — залетает из межзвёздного пространства, огибает Солнце и снова уходит в темноту. Такие межзвёздные кометы уже несут с собой всё нужное для полёта: лёд, который можно испарять и использовать как топливо, и вращение, которое само меняет ориентацию тела. Остаётся лишь слегка подруливать.

Планеты рождаются из пыли. В диске вокруг молодой звезды крошечные пылинки сталкиваются, слипаются и постепенно растут, как снежный ком, катящийся с горы. Но есть препятствие: газ в диске движется быстрее пыли и тормозит её, не давая собраться в крупные комки. Чтобы пыль всё же слипалась, её должно стать достаточно много.

В протопланетном диске — облаке газа и пыли вокруг молодой звезды — пылинки не просто летают по кругу. Они увлекаются газовым потоком, как песок ветром, и сами меняют этот поток. Возникают слои, скользящие друг относительно друга, и на их границе рождается неустойчивость — волны и вихри.

В центре каждой крупной галактики, включая наш Млечный Путь, живёт сверхмассивная чёрная дыра. Она не просто сидит на месте — временами она втягивает в себя газ и пыль, а часть этого вещества выбрасывает обратно мощными потоками. Эти потоки, или «ветры», уносят материал далеко от центра и влияют на всю галактику.

Молодая Солнечная система напоминала гигантскую стройплощадку: вокруг новорождённого Солнца кружил диск из газа и пыли, и из этой пыли постепенно собирались камни, глыбы, а затем и зародыши планет — планетезимали. Сегодня их осколки падают на Землю в виде метеоритов.

Молодая звезда PDS 66 окружена плоским диском из газа и пыли — колыбелью будущих планет. В холодных внешних частях такого диска кремний и сера обычно спрятаны в пылинках, но астрономы заметили яркое пятно газа на расстоянии около 60 астрономических единиц от звезды.

В 130 световых годах от нас вокруг молодой звезды HR 8799 кружат четыре планеты-гиганта — каждая тяжелее Юпитера в 5–10 раз. Они находятся далеко от звезды, на расстояниях от 15 до 70 астрономических единиц (одна астрономическая единица — это расстояние от Земли до Солнца).