NASA знайшло докази космічних катастроф, схожих на утворення Місяця

Астрономи використали космічний телескоп Джеймса Вебба, щоб дослідити рідкісні зоряні системи, де навколо молодих зірок спостерігається незвично велика кількість теплого пилу. Такі структури називають екстремальними уламковими дисками. Про це пише Sciencedaily.

Що відбувається під час зіткнення молодих планет?

Вони можуть бути своєрідними слідами масштабних зіткнень планетних тіл. Досліджуючи склад пилу та зміни його яскравості, науковці можуть оцінювати силу таких ударів і краще розуміти процес формування кам'янистих планет.

Дослідники вважають, що подібні процеси могли відбуватися і в молодій Сонячній системі. Один із найважливіших епізодів її історії – гігантське зіткнення між молодою Землею та тілом приблизно розміром з Марс, яке отримало назву Тея.

Вважається, що удар був настільки потужним, що значна кількість гірських порід випарувалася, а частина матеріалу була викинута в космос. Згодом уламки могли об'єднатися та сформувати Місяць. Саме тому спостереження за молодими зоряними системами дають ученим можливість вивчати процеси, які могли сформувати Землю та її супутник.

Вебб дослідив 21 рідкісний уламковий диск

Навколишнє середовище молодої зорі поступово змінюється. На ранньому етапі навколо неї існує багатий на газ протопланетний диск, у якому формуються планети. Згодом газу стає менше, а система переходить до стадії уламкового диска.

Ще космічний телескоп Spitzer, який NASA вже вивело з експлуатації, виявив незвичайну категорію таких систем – екстремальні уламкові диски. Вони містять надзвичайно багато теплого пилу, розташованого близько до зорі. За відстанню ця область приблизно відповідає зоні, де в нашій Сонячній системі знаходяться кам'янисті планети.

Команда астрономів під керівництвом Кейт Су з Інституту космічних наук у Боулдері, штат Колорадо, використала телескоп Вебба для детального дослідження цих систем. Теоретичні моделі припускають, що екстремальні уламкові диски мають бути відносно поширеними на певному етапі розвитку молодих зоряних систем. Проте спостереження показують іншу картину. Наразі лише близько 1% молодих зірок демонструють ознаки такої фази.

Загалом дослідники сформували вибірку з 21 екстремального уламкового диска. П'ять із них вивчали за архівними даними Spitzer, ще 16 досліджували за допомогою Вебба. Серед останніх 12 систем спостерігали вперше, а чотири були повторно досліджені після попередніх спостережень Spitzer.

Це перший раз, коли ми зібрали достатньо систем, щоб по-справжньому зрозуміти цей підклас, який ми називаємо екстремальними уламковими дисками, – сказала Кейт Су, провідна авторка дослідження.

За її словами, до запуску Вебба вчені мали дуже мало інформації про такі системи. Було відомо лише, що вони незвичайні та суттєво відрізняються від типових холодних уламкових дисків, як-от навколо Веги та Фомальгаута. Нові дані дозволяють краще зрозуміти їхнє значення для формування та еволюції планет.

Склад пилу видає силу зіткнення

Дослідники визначили три ключові характеристики екстремальних уламкових дисків. Їхні частинки пилу менші, ніж у протопланетних і звичайних уламкових дисках, концентрація теплого пилу значно вища, а інфрачервона яскравість систем нерегулярно змінюється з часом.

Ці властивості вдалося визначити за допомогою спектрів у середньому інфрачервоному діапазоні, отриманих телескопами Вебба та Spitzer. Науковці також дослідили мінеральний склад пилу. У результаті системи поділили на дві основні групи – диски з великою кількістю кремнезему та диски з низьким його вмістом.

На Землі прикладом матеріалу з високим вмістом кремнезему є вулканічне скло, зокрема обсидіан. Натомість мінерал форстерит, бідний на кремнезем, можна зустріти у вигляді зелених піщинок на деяких пляжах Гаваїв.

Різниця у складі може розповісти про те, наскільки потужним було зіткнення, що породило пил.

"Побачити їхнє середньоінфрачервоне випромінювання та прекрасні спектральні особливості за допомогою Вебба, які дозволили нам визначити їхній склад, було для мене найзахопливішим", – сказала Агнес Коспал з обсерваторії Конколі в Будапешті, співавторка дослідження. За її словами, іншого способу безпосередньо досліджувати такі планетні зародки немає, оскільки вони надто малі.

Чи могли планети розміром з Марс зіткнутися між собою?

Приблизно третина досліджених дисків багата на кремнезем. На думку дослідників, такі системи могли виникнути після надзвичайно потужних зіткнень між тілами розміром із Марс.

Енергії таких ударів достатньо, щоб випарувати значну частину кам'янистого матеріалу. Після зіткнення навколо зорі залишається велика кількість уламків, характеристики яких можна спостерігати у вигляді інфрачервоного випромінювання.

Інші дві третини дисків містять менше кремнезему. Вони, ймовірно, виникли після менш енергійних зіткнень. Серед можливих сценаріїв – ковзні удари між тілами розміром із Місяць. Важливою виявилася й різниця у віці зоряних систем. Кремнеземні диски поки що виявили лише навколо зірок віком менш як 300 мільйонів років.

Системи з низьким вмістом кремнезему зустрічаються у значно ширшому діапазоні віку зірок. Крім того, їхня інфрачервона яскравість зазвичай змінюється сильніше. Вчені припускають, що така мінливість може бути наслідком швидкої еволюції уламків після зіткнення. Матеріал змінює свої орбіти, стикається з іншими частинками та може утворювати нові хмари пилу. Через це кількість інфрачервоного випромінювання системи здатна змінюватися з часом.

Кейт Су наголошує, що формування кам'янистих планет і подальша еволюція великих планет є частинами одного процесу.

Формування кам'янистих планет і еволюція гігантських планет є частиною ширшої історії формування Сонячної системи. Це все одна історія, – зазначила дослідниця.

Що це може розповісти про походження Місяця?

Комп'ютерне моделювання показує, що планети земного типу мають формуватися протягом перших кількох сотень мільйонів років після народження зоряної системи.

Цей часовий проміжок добре узгоджується з віком кремнеземних екстремальних уламкових дисків, які астрономи вже виявили.

Він також відповідає оцінкам формування Землі та Місяця приблизно через 100 мільйонів років після появи Сонця. За основною гіпотезою, Місяць виник після зіткнення Землі з тілом розміром із Марс.

Водночас науковців цікавить і можливість того, що Сонячна система в минулому пережила стадію кремнеземно-бідного екстремального уламкового диска. Якщо старі диски з низьким вмістом кремнезему та їхні нерегулярні зміни інфрачервоної яскравості справді пов'язані з нестабільністю орбіт, це може відповідати гіпотезі пізнього важкого бомбардування.

Згідно з цим сценарієм, гігантські планети Сонячної системи на ранньому етапі могли істотно змінити свої орбіти. Їхня міграція порушила траєкторії менших тіл, що спричинило серію масштабних зіткнень. У результаті на певному етапі Сонячна система могла наповнитися величезною кількістю пилу та уламків – приблизно так, як астрономи сьогодні спостерігають у деяких екстремальних уламкових дисках.

Однак дослідники поки не вважають цю картину доведеною.

"Звичайно, ми все ще багато чого не знаємо про ці диски", – сказав Аттіла Мур з обсерваторії Конколі, співавтор дослідження.

Він зазначив, що відповідно до запропонованої гіпотези старі екстремальні уламкові диски не повинні містити кремнеземних систем. Водночас у дослідженій вибірці лише три диски відповідають необхідним віковим критеріям, тому вченим потрібні нові спостереження для перевірки припущення.

Таким чином, телескоп Джеймса Вебба допомагає астрономам використовувати пил навколо молодих зірок як своєрідний архів планетних катастроф. Спостерігаючи за мінеральним складом та поведінкою цього пилу, дослідники можуть відновлювати властивості зіткнень, які неможливо побачити безпосередньо.

Для розуміння походження Землі та Місяця такі спостереження особливо важливі. Вони дають можливість порівняти нашу систему з іншими молодими зоряними системами та перевірити моделі, за якими планети формувалися через серію гігантських зіткнень.