химия аккреции планет

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 холодных глубинах космоса плавают камни, которые старше самой Земли. Внутри некоторых из них прячутся крошечные стеклянные шарики — хондры, миллиметровые сферы, застывшие капли расплавленного силикатного вещества. Они образовались, когда вокруг молодого Солнца ещё кружил протопланетный диск из газа и пыли — та самая «колыбель», из которой позже соберутся 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.

В печи звездообразования жар достигает 900 градусов — как в раскалённой доменной печи. Именно в таком пекле рождаются космические кристаллы. Астрономы впервые зафиксировали момент, когда кристаллическая пыль появляется непосредственно во время аккреционной вспышки у очень молодой звезды EC 53, ещё укутанной в плотный газовый кокон.

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.

Звезда AB Aur — молодая, ей около 4 миллионов лет. Вокруг неё кружится плотный газопылевой диск. Недавно в него врезался длинный газовый рукав — поток вещества из окружающего облака. Астрономы направили на этот диск радиотелескоп NOEMA и увидели, что химия в нём неодинакова: северная часть пахнет серой, а южная — углеводородами. На севере, куда ударил падающий рукав, много молекул SO (оксид серы).

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?

Когда планета-гигант растёт, она втягивает в себя газ. Часть этого газа закручивается вокруг неё в маленький диск — его называют околопланетным диском. Именно в таких дисках, как считается, появляются спутники. У планеты PDS 70 c, которая находится в 370 световых годах от нас, такой диск увидели напрямую с помощью антенной решётки ALMA в миллиметровом диапазоне.

Молодая Земля была кипящим шаром жидкого камня, а врезавшаяся в неё Тейя успела остыть и окаменеть. Это как бросить кусок холодного масла в кастрюлю с супом: суп разлетается, а масло почти нет. Так и земные недра выплеснулись в космос, образовав облако из космической пыли и обломков. Постепенно из него собралась Луна.

Если сжать воду между двумя стёклами так, чтобы поместилось всего два слоя молекул, она превращается в нечто среднее между жидкостью и льдом. При комнатной температуре молекулы в такой ловушке ещё двигаются, но уже выстраиваются в подобие кристаллической решётки.

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.

Хондры похожи на застывшие капли дождя из камня. Они размером с песчинку, но в них записана история первых миллионов лет Солнечной системы. Когда-то эти капли плавали в раскалённом газе вокруг молодого Солнца, а потом слиплись в астероиды и упали на Землю метеоритами.

Длинные белковые нити, их запутанные сцепки и случайные контакты — так обычно объясняли рождение клеточных капель. Эти безмембранные органеллы, где идут важные реакции, напоминают масляные капли в воде: они возникают сами, когда молекулы разделяются на фазы. Но новая работа заглянула на ступеньку ниже — туда, где правит не длина, а химический почерк.

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.

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.

Молодая планета в газовом диске напоминает пловца, который пытается плыть против течения: трение о газ тормозит её, и она по спирали приближается к звезде. Для небольших каменистых планет такое падение может занять меньше времени, чем нужно для их роста. Но в диске есть и встречные потоки — вихри, которые могут подталкивать планету наружу. Учёные построили компьютерную модель диска вокруг молодой звезды.

Ледяное тело Аррокот похоже на снеговика: два шара, прижатых друг к другу. Таких двуглавых объектов много за орбитой Нептуна, в поясе Койпера. Долго считалось, что они возникают при медленном столкновении двух отдельных тел. Новое моделирование показывает другой путь. Облако мелких камешков вокруг молодого Солнца сжимается собственной тяжестью.

В подлёдных океанах Европы, Ганимеда и Каллисто, возможно, скрывается жизнь. Её углеродные строительные блоки, вероятно, сформировались ещё до рождения самих лун — в аккреционном диске из газа и пыли, вращавшемся вокруг юного Юпитера. Эта гигантская космическая печь работала за счёт медленного нагрева от трения, а не под воздействием жёсткого ультрафиолетового излучения.

В тёмном и холодном облаке между звёздами пылинка размером с тысячную долю миллиметра ловит на себя лёгкие молекулы. Угарный газ и водород прилипают к её поверхности, как капли дождя к стеклу, и вступают в реакцию. Через несколько шагов получается метанол — тот самый спирт, который входит в состав стеклоомывателя.

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).

Вокруг молодых звёзд кружатся плоские облака из газа и пыли — из них потом собираются планеты. Чтобы вещество в таком диске слипалось в комки, оно должно постоянно перемешиваться. Но что заставляет газ двигаться хаотично, если сам по себе он спокоен? Часть ответа кроется в том, что газ в диске почти не проводит электричество — он слабо ионизирован.

Вокруг звезды HD 163296, в 330 световых годах от нас, кружится плотное кольцо газа и пыли. В нем астрономы разглядели небольшое, но яркое пятно из молекул синильной кислоты и этинила. Оно висит на расстоянии 88 астрономических единиц от звезды — дальше, чем Плутон от Солнца. Тепло от формирующейся планеты, спрятанной в этом пятне, растапливает ледяную пыль.

Вокруг молодой звезды кружится плоский блин из газа и пыли — будущий материал для планет. Звезда греет его ультрафиолетом, и газ с поверхности диска улетает в космос, как вода из лужи под солнцем. Если испарение идёт бойко, в диске появляется просвет — кольцевая прогалина без вещества.

Молодая планета растёт, как снежный ком, катящийся по склону: к ней прилипают бесчисленные мелкие камешки из окружающего газового диска. Чем больше она становится, тем сильнее притягивает к себе газ — водород и гелий. Вокруг образуется плотная, горячая оболочка.

Среди экзопланет часто встречаются субнептуны — миры чуть меньше Нептуна. Их открывают транзитным методом (по затенению звезды), пионером которого был Уильям Боруцки.

Самый распространённый тип планет в нашей Галактике — каменные миры у других звёзд, или экзопланеты, окутанные простейшим газом — водородом. Долгое время их внутреннее устройство оставалось загадкой, пока учёные не воспроизвели условия недр в лабораторном эксперименте.