Молодые планеты — это прожорливые создания, которые быстро поглощают остатки газопылевых облаков, окружающих их звезды. Газ в этих протопланетных дисках исчезает стремительно — всего за несколько миллионов лет. Благодаря новому исследованию астрономы получили наиболее детальную картину этого процесса.

Международная команда ученых провела наблюдения с помощью Атакамской большой миллиметровой/субмиллиметровой решетки (ALMA) в рамках программы ALMA Survey of Gas Evolution of PROtoplanetary Disks (AGE-PRO). Исследователи изучили 30 протопланетных дисков вокруг солнцеподобных звезд и обнаружили, что газ и пыль в них эволюционируют с разной скоростью. Оставшееся количество газа определяет, какие планеты сформируются в системе.

Эти результаты помогут ученым лучше понять, как формируются и развиваются планетные системы, включая нашу Солнечную систему.

Исследование оказалось настолько значимым, что на его основе уже опубликовано 12 научных статей разных команд.

«Эти работы показывают, как протопланетные диски меняются со временем, — говорит Анíбаль Э. Сьерра Моралес из Лаборатории космических наук Малларда (UCL). — Эти открытия — ключевой шаг к пониманию условий, которые приводят к формированию планет, подобных Земле».

Как рождаются планеты?

История протопланетных дисков начинается в молекулярных облаках, где сгустки холодного газа коллапсируют под действием собственной гравитации, рождая звезды. Молодые светила, или протозвёзды, продолжают поглощать вещество из окружающего их газового кокона.

Со временем вокруг звезды остается плоский вращающийся диск из газа и пыли — протопланетный диск. Внутри него частицы сталкиваются и слипаются, образуя планетезимали, которые затем растут, собирая материал диска, пока не превращаются в полноценные планеты.

Протопланетные диски существуют всего несколько миллионов лет — именно столько времени есть у газовых гигантов, чтобы сформироваться.

Изначальные размер, масса и угловой момент диска определяют, какие планеты могут в нем родиться. А продолжительность жизни газа в диске влияет на то, успеют ли зародыши планет вырасти до размеров астероидов или полноценных миров.

Кроме того, эти факторы могут определять миграцию планет — их перемещение ближе или дальше от звезды в молодости, что в итоге формирует окончательную структуру системы.

Газ против пыли: неожиданные открытия

До этого исследования ученые уже анализировали, как меняется пыль в протопланетных дисках, но эволюция газа оставалась малоизученной.

«AGE-PRO впервые измерил массы и размеры газовых дисков на разных этапах их жизни», — говорит руководитель исследования Ке Чжан из Университета Висконсин-Мэдисон.

С помощью ALMA команда изучила 30 дисков возрастом от 1 до 5 миллионов лет в звездообразующих регионах созвездий Змееносца, Волка и Верхнего Скорпиона.

Чувствительность ALMA позволила отследить химические «маркеры», такие как угарный газ (CO) и диазенилий (N₂H⁺), а также обнаружить следы альдегидов, дейтерированного цианида (DCN) и цианометана (CH₃CN). Это дало наиболее детальную картину химической эволюции дисков.

«Это первое масштабное исследование такого рода, охватившее диски разного возраста», — отметил соавтор работы Джон Карпентер из Обсерватории ALMA.

Когда рождаются гиганты?

Исследование проливает свет на сроки формирования газовых гигантов, таких как Юпитер и Сатурн, по сравнению с каменистыми планетами, подобными Земле и Марсу.

*«AGE-PRO показывает, что средняя масса газового диска падает с нескольких масс Юпитера в первые миллион лет до менее одной массы Юпитера в период от 1 до 3 миллионов лет, — объясняет Паола Пинилья (UCL). — Это значит, что у молодых дисков есть ресурсы для формирования гигантов, но со временем их становится меньше. Однако удивительно, что диски, сохраняющиеся дольше (2–3 млн лет), удерживают массу газа на уровне более молодых систем».*

Еще один сюрприз: газ и пыль расходуются с разной скоростью, и соотношение между ними меняется по мере старения диска.

«Самое неожиданное — то, что уцелевшие диски содержат больше газа, чем ожидалось, — говорит Ке Чжан. — Это меняет наши представления о формировании атмосфер у планет, рождающихся на поздних этапах».

Сравнивая данные AGE-PRO с другими исследованиями, ученые смогут создать более полную картину эволюции планетных систем.