Космический телескоп "Джеймс Уэбб" запечатлел конец процесса формирования планет, что вполне согласуется с ранее выдвинутой теорией о происхождении Земли. Солнечная система находится в галактике Млечный путь, где скопилось около 100 млрд звезд и межзвездной пыли и газа, в основном, состоящих из остатков звезд предыдущих поколений.
Пыль состоит из микроскопических частиц водяного льда, атомов металлов и других твердых веществ, находящихся во внешних, прохладных слоях звезды, выброшенные в космическое пространство.
Когда облака достаточно холодные и плотные, они начинают сжиматься в силу гравитации, образуя скопления частиц в качестве строительного материала для звезд. Такой процесс может длиться от 100 тыс. до нескольких миллионов лет.
Обнаружено много молодых звезд, окруженных такими дисками, при этом звезды возрастом от 1 до 3 млн лет обладают газовыми дисками, в то время как у существующих более 10 млн лет, наблюдаются слабые или бедные газом диски, поскольку газ "выдувает" из него либо сама новорожденная звезда, либо соседние яркие звезды. Этот диапазон времени как раз и представляет собой эпоху формирования планет.
Масса тяжелых элементов в таких дисках сравнима с массой данных элементов в планетах Солнечной системы, что представляет собой аргумент в защиту того факта, что планеты образуются из таких дисков.
Диск приобретает структуру приблизительно за 1 млн лет
Молодые диски, в основном, содержат водород и гелий. В их горячих внутренних областях частицы пыли испаряются, а в холодных и разреженных внешних слоях частицы пыли сохраняются и растут по мере конденсации на них пара и космической пыли. Даже гигантские планеты начинались с микронных пылинок (пепел давно умерших звезд), плавающих во вращающемся газовом диске. Удаляясь от новорожденной звезды температура газа понижается, проходя через "линию льда»", за которой вода замерзает. В нашей Солнечной системе эта граница отделяет внутренние твердые планеты от внешних газовых гигантов.
Малые частицы увлекает газ, а больше миллиметра, тормозятся и по спирали движутся к звезде. У линии льда сила трения меняет направление и частицы слипаются и легко объединяются в более крупные тела — планетезимали.
Хаотически двигаясь вместе с потоками газа, частицы пыли в протопланетном диске, сталкиваются друг с другом, при этом иногда слипаются, а иногда разрушаются. Пылинки поглощают свет звезды и переизлучают его в длинноволновом инфракрасном диапазоне, отражая тепло в самые темные внутренние области диска.
Температура, плотность и давление газа в целом снижаются с удалением от звезды. Из-за баланса давления, гравитации и центробежной силы скорость вращения газа вокруг звезды меньше, чем у свободного тела на таком же расстоянии, вследствие чего пылинки размером более нескольких миллиметров опережают газ, поэтому встречный ветер тормозит их и вынуждает по спирали опускаться к звезде.
Чем крупнее становятся эти частицы, тем быстрее они движутся вниз. Глыбы метрового размера могут сократить свое расстояние от звезды вдвое всего за 1000 лет.
Приближаясь к звезде, частицы нагреваются, и постепенно вода и другие вещества с низкой температурой кипения, называемые летучими веществами, испаряются. Расстояние, на котором это происходит, — так называемая "линия льда", — составляет 2–4 астрономических единицы (а.е.).
В Солнечной системе это как раз нечто среднее между орбитами Марса и Юпитера (радиус орбиты Земли равен 1 а.е.).
Линия льда делит планетную систему на внутреннюю область, лишенную летучих веществ и содержащую твердые тела, и внешнюю, богатую летучими веществами и содержащую ледяные тела.
На линии льда накапливаются молекулы воды, испарившиеся из пылинок, что служит пусковым механизмом для целого каскада явлений. В этой области происходит разрыв в параметрах газа, и возникает скачок давления.
Баланс сил заставляет газ ускорять свое движение вокруг центральной звезды. В результате попадающие сюда частицы оказываются под влиянием не встречного, а попутного ветра, подгоняющего их вперед и останавливающего их миграцию внутрь диска. А поскольку из его внешних слоев продолжают поступать частицы, линия льда превращается в полосу его скопления.
Частицы сталкиваются и растут, а некоторые из них прорываются за линию льда и продолжают миграцию внутрь, нагреваясь, они покрываются жидкой грязью и сложными молекулами, что делает их более липкими. Некоторые области настолько заполняются пылью, что взаимное гравитационное притяжение частиц ускоряет их рост. Постепенно пылинки собираются в тела километрового размера, называемые планетезималями, которые на последней стадии формирования планет сгребают почти всю первичную пыль. Увидеть сами планетезимали в формирующихся планетных системах трудно, но астрономы могут предполагать об их существовании по обломкам. Миллиарды километровых планетезималей, сформировавшихся на стадии 2, собираются затем в тела размером с Луну или Землю, называемые зародышами. Небольшое количество зародышей господствует в своих орбитальных зонах, борющихся за оставшееся вещество. Время формирования зародышей составляет от 1 до 10 млн лет.
Взаимные столкновения планетезималей могут стимулировать как их рост, так и разрушение. Орбиты тел вокруг звезды вначале могут быть эллиптическими, но со временем торможение в газе и взаимные столкновения превращают орбиты в круговые. Вначале рост тела происходит в силу случайных столкновений, а затем, чем больше становится планетезималь, тем сильнее ее гравитация, тем интенсивнее она поглощает своих маломассивных соседей.
Когда массы планетезималей становятся сравнимы с массой Луны, их гравитация возрастает настолько, что они встряхивают окружающие тела и отклоняют их в стороны еще до столкновения,чем они ограничивают свой рост.
Питанием каждого зародыша служит узкая полоса вдоль его орбиты. Рост прекращается, когда зародыш поглотит большую часть планетезималей из своей зоны. Элементарная геометрия показывает, что размер зоны и продолжительность поглощения возрастают с удалением от звезды. На расстоянии 1 а.е. зародыши достигают массы 0,1 массы Земли в течение 100 тыс. лет.
На расстоянии 5 а.е. они достигают четырех земных масс за несколько миллионов лет. Зародыши могут стать еще больше вблизи линии льда или на краях разрывов диска, где концентрируются планетезимали.
В нашей Солнечной системе планеты хотя и распределены по большому пространству, но они близки друг к другу насколько это возможно. Если между планетами земного типа поместить еще одну планету с массой Земли, то она выведет из равновесия всю систему.
Некоторые объекты выбрасываются из системы прежде, чем она достигнет равновесия. Астрономы уже наблюдали свободно летающие планеты в молодых звездных скоплениях.
Зародыши планет с массами в диапазоне от массы Луны до массы Земли, подтверждают теорию происхождения каменистых планет и рождение нашей Солнечной системы.
Ученые с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST) получили принципиально новое изображение: зарождающаяся планетарная система, активно сбрасывающая свой газ. Это открытие позволяет по-новому взглянуть на процесс формирования планет, в том числе и нашей Солнечной системы.
Телескоп «Джеймс Уэбб» увидел конец формирования планеты.
Ранее было известно, что в планетообразующих дисках — вихревых облаках пыли и газа вокруг молодых звезд — содержится значительно больше газа, чем твердых частиц. Оставался ключевой вопрос: когда и как этот газ исчезает?
Исследование, проведенное под руководством Намана Баджаджа из Университета Аризоны, проливает свет на эту загадку. Наблюдая за молодой звездой T Cha, они впервые смогли получить изображение газа, медленно покидающего систему.
Для этого им удалось обнаружить сигнатуру ионизированного неона — атома газа, лишенного электронов, — испускаемого выходящим газом. Эта техника действует как химический отпечаток пальца, выявляя происхождение частиц внутри диска. Анализ позволяет предположить, что "облако", скорее всего, движимо высокоэнергетическим светом, исходящим от молодой звезды. По оценкам команды, потеря газа эквивалентна ежегодной потере земной Луны.
Эти новые знания о времени рассеивания газа могут помочь ученым понять, сколько времени у планет есть на формирование и рост. Кроме того, быстрая эволюция, наблюдаемая во внутреннем диске T Cha, намекает на то, что мы можем стать свидетелями полного истощения газа и пыли в течение нашей жизни.
Частицы пыли в протопланетном диске, хаотически двигаясь вместе с потоками газа, сталкиваются друг с другом и при этом иногда слипаются, иногда разрушаются. Пылинки поглощают свет звезды и переизлучают его в длинноволновом инфракрасном диапазоне, передавая тепло в самые темные внутренние области диска. Температура, плотность и давление газа в целом снижаются с удалением от звезды. Из-за баланса давления, гравитации и центробежной силы скорость вращения газа вокруг звезды меньше, чем у свободного тела на таком же расстоянии.
