формирование планетезималей

Астрономы ловят далёкие планеты по дрожи их звёзд: невидимый спутник тянет звезду то к нам, то от нас, и свет её слегка меняет окраску. Но эта дрожь сообщает лишь половину правды. Если орбита планеты наклонена к лучу зрения, раскачивается только часть её веса — и в телескоп видна не настоящая масса, а её тень. Переводчик отвлекается на каждый шорох в зале — и час совещания превращается в два.

На поверхности Луны и астероидов встречаются ямки меньше булавочной головки, но с блестящими оплавленными краями. Такие следы оставляют крошечные метеориты, однако при какой именно скорости удара появляется расплав, оставалось неясным.

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.

Рождение луны — это космическая катастрофа. Две молодые планеты сталкиваются, и облако раскалённых обломков закручивается вокруг уцелевшего мира. Из этого диска, словно из глины на гончарном круге, со временем формируется спутник. Так, вероятно, появилась наша Луна. Но что, если гончарный круг трясёт и дёргает сама звезда? Астрономы исследовали именно этот сценарий.

Вокруг молодой звезды, только начинающей свою термоядерную жизнь, вращается вихрь пыли и газа — протопланетный диск. Он растёт, аккрецируя (собирая) вещество из окружающего молекулярного облака.

Край прожектора. Стоит убрать ослепительный свет центрального светила, и проступает театр теней. Коронограф «Джеймса Вебба», словно плотный занавес, скрыл звезду TW Гидры — и на сцене длиной в 120 астрономических единиц (вчетверо больше пути до Нептуна) заиграл её протопланетный диск.

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.

Около некоторых молодых звёзд, где недавно завершилось звездообразование, кружатся не просто пылевые кольца, а настоящие поля планетных битв — экстремальные обломочные диски.

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.

В двух миллионах лет от нас, вокруг молодой звезды CI Tau, кружится газопылевой диск — протопланетная колыбель. Наблюдения на ALMA уже показали в нем кольца и зазоры, но самые тонкие детали оставались невидимы: их ширина меньше разрешающей способности инструмента. Астрофизики придумали способ заглянуть за этот предел.

Космос пронизан магнитными полями. Они есть у галактик, звёзд и даже в почти пустых войдах (огромных пустотах между скоплениями галактик). Обычно считается, что поля усиливаются из слабых «затравочных» полей благодаря турбулентности — как динамо-машина. Но природа самих затравочных полей оставалась загадкой. Новая работа предлагает неожиданный механизм.

Рождение планет напоминает работу небесной кузницы. Каменные глыбы — планетезимали — сталкиваются, сплавляясь воедино под действием гравитации. Сильный удар высекает искру: вещество раскаляется добела и светится, подобно остывающему металлу.

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.

В центре далекой галактики сверхмассивная черная дыра окружена плоским вращающимся диском из газа и пыли — гигантской воронкой с космическим веществом. В этом диске может оказаться небольшой компактный объект, например, другая черная дыра звездной массы. Она движется по своей орбите, но время от времени протыкает диск насквозь, словно игла, прошивающая ткань.

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.

Когда телескоп ловит свет далёкого белого карлика, спектрограф иногда вылавливает тяжёлые элементы — кальций, железо, магний. Эти металлы не могли удержаться в тонкой атмосфере останка звезды; они — след недавно упавших планетных обломков.

В сердце туманности Орёл, на расстоянии около 7000 световых лет от нас, высятся три исполинских газопылевых колонны — Столпы Творения. Их форма знакома многим по снимкам телескопа Хаббл. Теперь же инфракрасная камера Уэбба позволила заглянуть внутрь этих плотных коконов, где рождаются звёзды.

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.

Когда массивная звезда исчерпывает термоядерное топливо, её ядро стремительно сжимается — коллапсирует, порождая чёрную дыру, окружённую аккреционным диском из раскалённой плазмы. Чтобы из этого диска вырвались узкие релятивистские струи — джеты, необходимо крупномасштабное упорядоченное магнитное поле.

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.

В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная вела себя подобно туго надутому шару: высокое давление препятствовало локальному сжатию материи в сгустки. Однако гипотетические сверхтяжёлые частицы — своего рода «тяжеловесы» микромира — могли на короткое время уменьшить эту упругость.

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.

Молодые планетные системы похожи на оркестр, который только что начал репетицию: все музыканты стараются играть в одном ритме. Астрономы, наблюдая за ними через телескоп TESS, заметили, что планеты у молодых звёзд часто движутся синхронно — их орбиты выстроены так, что на каждые два оборота одной планеты приходится ровно один оборот другой.

Вокруг молодых звёзд кружатся диски из газа и пыли — строительный материал для будущих планет. Внутри этих дисков пылинки не просто летают как попало: они выстраиваются вдоль невидимых линий, по которым течёт газ. Недавно астрономы заметили, что пылинки в таких дисках ведут себя как воланы для бадминтона — всегда разворачиваются длинной стороной по ветру.

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.

Пылинки в диске вокруг молодой звезды слипаются, растут и когда-нибудь станут планетами. Но чтобы понять, сколько материала для планет есть в каждом диске, нужно измерить его массу и размер. Прямо взвесить далёкое облако нельзя — приходится судить по излучению пыли. Астрономы натренировали нейросеть на тысячах моделей дисков, рассчитанных детальным компьютерным кодом.

Тесто поднимается быстрее, если в нём уже есть дрожжи. Похоже, галактики могли собираться быстрее, если в них заранее были чёрные дыры. Астрофизики рассмотрели случай, когда во Вселенной с самого начала существовали первичные чёрные дыры — объекты, которые могли образоваться в первые мгновения после Большого взрыва.

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.

Около 4 миллиардов лет назад молодая Земля переживала эпоху интенсивной метеоритной бомбардировки. Падающие тела оставляли на поверхности многочисленные ударные воронки — кратеры. Дожди заполняли эти углубления водой, превращая их в изолированные мелководные бассейны.

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.

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.

Пыль вокруг молодой звезды CVSO 1942 вспыхнула, как лампочка, которую включили на полную мощность. В 2024 году космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) заглянул в переходный диск — это кольцо из газа и пыли, где планеты ещё только строятся, — и увидел, что в среднем инфракрасном свете (волны короче 10 микрометров…

Метеорит Мурчисон, упавший в Австралии в 1969 году, хранит пылинки старше Солнечной системы. Среди них — крошечные графитовые зёрна размером меньше тысячной доли миллиметра. В пяти таких зёрнах нашли изотоп стронция-84: его атомы чуть легче обычного стронция.

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 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.