Пылевые кольца вокруг молодых звёзд раскрыли секрет массы рождающихся планет
Международная группа исследователей из Уорикского университета, Массачусетского технологического института и Университета Макмастера разработала новый метод определения массы молодых планет, которые скрыты в плотных пылевых кольцах вокруг своих звёзд. Эти кольца, известные как протопланетные диски, представляют собой колыбели миров, где материал постепенно слипается из пыли в полноценные планеты. Однако из-за обилия пыли напрямую наблюдать сами планеты крайне сложно, и до сих пор астрономы не могли точно связать особенности структуры дисков с массой скрытых в них объектов.
Благодаря прогрессу в наблюдательных технологиях, в частности использованию телескопа ALMA в Чили, учёные получили возможность детально изучать протопланетные диски и обнаружили, что те состоят из отдельных кольцевых структур. Исследователи давно подозревали, что эти кольца несут информацию о новорождённых планетах, но не имели инструмента для её расшифровки. «Эти яркие кольца — не просто красивые структуры, это буквально отпечатки пальцев планет, — пояснила ведущий автор исследования Амена Фаруки, аспирантка Уорикского университета. — Читая "между строк" этих колец, мы нашли способ восстановить массы планет, которые их создают, даже когда сами планеты слишком тусклы или глубоко скрыты, чтобы их можно было наблюдать напрямую».
Команда разработала сложные компьютерные симуляции, чтобы понять, как разная масса планеты влияет на форму пылевых колец. Анализ моделей выявил три ключевых признака в структуре кольца, которые важны для характеристики планеты: ширина кольца, количество пыли в нём и самая яркая точка кольца. Особое значение оказалась иметь именно самая яркая точка: она напрямую связана с массой планеты и не зависит от внешних факторов, таких как размер пылинок или длина волны наблюдений. По словам учёных, используя только этот один параметр, можно определить массу скрытой новорождённой планеты, даже не зная конкретных условий в диске.
В качестве проверки метода исследователи обратились к системе PDS 70 — одной из немногих, где планеты внутри диска удалось сфотографировать напрямую. Применив свою новую технику, основанную на измерении самой яркой точки пяти колец, команда получила значение массы, которое чрезвычайно близко к результатам других оценок. «Одно из сильных сторон этой работы в том, что она остаётся не только в области теории, — отметила соавтор доктор Джессика Спиди из MIT. — Используя систему PDS 70 в качестве наблюдательной лаборатории, мы смогли провести реальную проверку нашего подхода, что даёт уверенность в том, что эти методы готовы к широкому применению».
Результаты моделирования также показали, что в типичных дисках более массивные формирующиеся планеты могут удерживать в своих кольцах количество пыли, эквивалентное массе 20 Земель. Это подтверждает данные наблюдений ALMA, но одновременно ставит новый вопрос: почему внутри этой захваченной пыли и камешков до сих пор не обнаружено новых планет. Отсутствие такого формирования станет важным направлением для будущих наблюдений и теорий. Команда подчёркивает, что их работа даёт наблюдателям практический инструмент для прямого определения масс планет по пылевым кольцам, и время для этого сейчас самое подходящее — с учётом всё более детальных снимков от ALMA и появления новых обсерваторий в ближайшем будущем.
Исследование в журнале The Astrophysical Journal.