Газовые «водопады» показывают планеты вокруг молодых звезд

Местами рождения планет являются диски, состоящие из газа и пыли. Астрономы изучают эти так называемые протопланетные диски, чтобы понять процессы формирования планет. Прекрасные изображения дисков, сделанные с помощью Атакамской большой антенной решётки миллиметрового диапазона (ALMA), показывают отчетливые зазоры и кольцевые элементы в пыли, которые могут быть созданы молодыми планетами. Чтобы получить больше уверенности в том, что эти разрывы на самом деле вызваны планетами, и чтобы получить более полное представление о формировании планет, ученые изучают газ в дисках в дополнение к пыли. 99 процентов массы протопланетного диска составляют газы, из которых газ монооксида углерода (СО) является наиболее ярким компонентом, испускающим свет в очень характерном диапазоне, который может наблюдать ALMA. В прошлом году две команды астрономов продемонстрировали новую технику охоты на планетах с использованием этого газа. Они измерили скорость газа СО, вращающегося в диске вокруг молодой звезды HD 163296. Локализованные изменения в движениях газа выявили три планетоподобные структуры в диске. В этом новом исследовании ведущий автор Ричард Тиг из Мичиганского университета и его команда использовали новые данные с ALMA в высоком разрешении из проекта Дисковые подструктуры с высоким угловым разрешением (DSHARP) для более детального изучения скорости газа. «Благодаря высокой точности данных этой программы мы смогли измерить скорость газа в трех направлениях, а не в одном», - сказал Тиг. «Впервые мы измерили движение газа, вращающегося вокруг звезды: к звезде или от нее, вверх или вниз в диске». Тиг и его коллеги увидели, как газ двигался из верхних слоев к середине диска в трех разных местах. «Скорее всего, происходит то, что это планета на орбите вокруг звезды раздвигает газ и пыль в сторону, открывая себе путь», - пояснил Тиг. «Газ после прохода планеты затем падает в зазор, как водопад, вызывая вращательный поток газа в диске». На сегодняшний день это лучшее доказательство того, что вокруг HD 163296 действительно формируются планеты. Но астрономы не могут со стопроцентной уверенностью сказать, что движение газа вызвано планетами. Например, магнитное поле звезды также может вызвать волнения в газе. «Прямо сейчас, только прямое наблюдение за планетами может исключить другие варианты. Но схемы этих газовых потоков уникальны, и очень вероятно, что они могут быть вызваны только планетами», - сказал соавтор Jaehan Bae из Научный институт Карнеги, который проверил эту теорию с помощью компьютерного моделирования диска. Местоположение трех предсказанных планет в этом исследовании соответствует результатам прошлого года: они, вероятно, расположены в 87, 140 и 237 а.е. (Астрономическая единица - AU - это среднее расстояние от Земли до Солнца.) Ближайшая к HD 163296 планета имеет примерно половину массы Юпитера, средняя планета - с массой Юпитера, а самая дальняя планета в два раза больше Юпитера. Атмосфера планеты Теоретические модели предсказывают, что потоки газа от поверхности к средней плоскости протопланетного диска существуют с конца 90-х годов, но это данные впервые получены с помощью наблюдения. Они не только могут использоваться для обнаружения планет-младенцев, но и формируют наше понимание того, как планеты-гиганты получают свою атмосферу. «Планеты образуются в среднем слое диска, так называемой средней плоскости. Это холодное место, защищенное от излучения звезды», - пояснил Тиг. «Мы думаем, что разрывы, вызванные планетами, приносят более теплый газ из более химически активных внешних слоев диска, и что этот газ и будет образовывать атмосферу планеты». Тиг и его команда не ожидали, что смогут увидеть это явление. «Диск вокруг HD 163296 - самый яркий и самый большой диск, который мы можем видеть с ALMA», - сказал Тиг. «Но для меня было большим сюрпризом видеть эти потоки газа так четко. Диски кажутся гораздо более динамичными, чем мы думали». «Это дает нам гораздо более полную картину формирования планет, чем мы когда-либо мечтали», - сказал соавтор Тед Бергин из Мичиганского университета. «Характеризуя эти потоки, мы можем определить, как рождаются планеты, подобные Юпитеру и охарактеризовать их химический состав при рождении».