Планетообразующие диски эволюционируют удивительно похожим образом
Группа астрономов под руководством Серка ван Тервизга из Института астрономии Макса Планка проанализировала распределение массы более 870 планетообразующих дисков в облаке Ориона А. Используя статистические свойства этой беспрецедентной выборки, например, горячих звезд, они обнаружили, что вдали от жестких условий, таких как горячие звезды, масса дисков только уменьшается. Используя статистические свойства этой беспрецедентно большой выборки дисков и разработав инновационную схему обработки данных, они обнаружили, что вдали от суровых условий, таких как горячие звезды, снижение массы дисков зависит только от их возраста. Результаты показывают, что, по крайней мере, в пределах 1000 световых лет от Земли планетообразующие диски и планетные системы эволюционируют сходным образом.<br>Одними из самых интересных вопросов современных астрономических исследований являются "Как выглядят другие планетные системы?" и "Насколько Солнечная система сопоставима с другими планетными системами?". Группа астрономов внесла решающий вклад в решение этой загадки.<br>"До сих пор мы не знали наверняка, какие свойства доминируют в эволюции планетообразующих дисков вокруг молодых звезд", - говорит Серк ван Тервисга, ученый из Института астрономии Макса Планка в Гейдельберге, Германия. Он является ведущим автором основной научной статьи, опубликованной сегодня в журнале Astronomy & Astrophysics. "Наши новые результаты показывают, что в среде без какого-либо соответствующего внешнего влияния наблюдаемая масса диска, доступная для формирования новых планет, зависит только от возраста системы звезда-диск", - добавляет ван Тервисга.<br>Масса диска является ключевым свойством при изучении эволюции планетообразующих дисков. Эта величина определяет, сколько материала доступно для преобразования в планеты. В зависимости от возраста диска, она также может дать подсказки об уже существующих там планетах. Внешние эффекты, такие как облучение и ветры от близлежащих массивных звезд, очевидно, влияют на выживание диска. Однако такие среды встречаются редко, и эти процессы мало что говорят о самих дисках. Вместо этого астрономов больше интересуют внутренние свойства диска, такие как возраст, химический состав или динамика родительского облака, из которого появились молодые звезды с их дисками.<br>Чтобы разделить различные вклады, команда астрономов выбрала большой и хорошо известный регион молодых звезд с дисками - облако Ориона А. Оно находится на расстоянии примерно 1350 световых лет от Земли. "Облако Ориона А предоставило нам беспрецедентно большую выборку из более чем 870 дисков вокруг молодых звезд. Очень важно было найти небольшие изменения в массе диска в зависимости от возраста и даже от локальной среды внутри облака", - объясняет Альваро Хакар, соавтор исследования и ученый из Венского университета (Австрия). Выборка основана на более ранних наблюдениях с помощью космического телескопа "Гершель", которые позволили идентифицировать диски. Сочетание нескольких длин волн дало критерий для оценки их возраста. Поскольку все они принадлежат к одному облаку, астрономы ожидали незначительного влияния химического состава и вариаций истории облака. Они также избежали влияния массивных звезд в близлежащем скоплении туманности Ориона (ONC), отбраковав диски, расположенные ближе 13 световых лет.<br>Для измерения массы диска команда использовала Атакамский большой миллиметровый/субмиллиметровый массив (ALMA), расположенный на плато Чаджнантор в чилийской пустыне Атакама. ALMA состоит из 66 параболических антенн, функционирующих как единый телескоп с настраиваемым угловым разрешением. Ученые применили режим наблюдения, который позволил им эффективно нацелиться на каждый диск на длине волны около 1,2 миллиметра. Холодные диски ярки в этом спектральном диапазоне. С другой стороны, вклад центральных звезд незначителен. Используя этот подход, астрономы определили массу пыли в дисках. Однако наблюдения нечувствительны к объектам размером гораздо больше нескольких миллиметров, например, камням и планетам. Поэтому команда эффективно измерила массу материала диска, способного образовывать планеты.<br>Прежде чем рассчитать массу диска, астрономы объединили и откалибровали данные с нескольких десятков телескопов ALMA. Эта задача становится довольно сложной при работе с большими массивами данных. При использовании стандартных методов на обработку собранных данных ушли бы месяцы. Вместо этого команда разработала новый метод с использованием параллельных компьютеров. "Наш новый подход позволил увеличить скорость обработки данных в 900 раз", - отмечает соавтор Раймонд Оонк из сотрудничающего поставщика ИТ-услуг SURF. 3000 процессорных часов, необходимых для выполнения задачи и подготовки данных для последующего анализа, прошли менее чем за сутки".<br>В целом, Орион А содержит планетообразующие диски, каждый из которых содержит пыль массой до нескольких сотен земных масс. Однако из 870 дисков только 20 содержат пыль, эквивалентную 100 массам Земли и более. В целом, количество дисков быстро уменьшается с увеличением массы, и большинство из них содержит менее 2,2 земных масс пыли. "Для того чтобы найти вариации, мы разрезали облако Ориона А и проанализировали эти регионы по отдельности. Благодаря сотням дисков, подвыборки были достаточно большими, чтобы получить статистически значимые результаты", - объясняет ван Тервисга.<br>Действительно, ученые обнаружили незначительные изменения в распределении масс дисков на масштабах в десятки световых лет в пределах Ориона А. Однако все они могут быть объяснены как возрастной эффект, то есть в пределах нескольких миллионов лет массы дисков имеют тенденцию к уменьшению в сторону более старых популяций. В пределах погрешности, скопления планетообразующих дисков одного возраста демонстрируют одинаковое распределение масс. Нет ничего удивительного в том, что масса пыли в планетообразующих дисках уменьшается со временем. В конце концов, пыль является одним из сырьевых материалов для планет. Следовательно, образование планет, безусловно, уменьшает количество свободной пыли. Другие хорошо известные процессы - миграция пыли к центру диска и испарение пыли при облучении от звезды-хозяина. Тем не менее, удивительно видеть такую сильную корреляцию между массой диска и его возрастом.<br>Все эти диски возникли из той же среды, которая сейчас представляет собой облако Ориона А. Как это соотносится с другими популяциями молодых звездных дисков? Астрономы ответили на этот вопрос, сравнив свои результаты с несколькими близлежащими звездообразующими регионами с планетообразующими дисками. За исключением двух, все они хорошо согласуются с соотношением массы и возраста, обнаруженным в Орионе А. "В целом, мы считаем, что наше исследование доказывает, что, по крайней мере, в ближайшие 1000 световых лет или около того, все популяции планетообразующих дисков демонстрируют одинаковое распределение массы в определенном возрасте. И, похоже, они эволюционируют более или менее одинаково", - заключает ван Тервисга. Полученный результат может даже намекнуть на формирование потрясающе похожих планетных систем".<br>В качестве следующего шага ученые изучат возможные столкновения с близкими звездами на меньших масштабах в несколько световых лет. Хотя они избежали сильного радиационного поля, вызванного массивными звездами в ONC, потенциально существуют более слабые звезды, которые могут влиять на пыль в соседних дисках и изменять статистику массы диска. Такой вклад может объяснить некоторые отклонения, обнаруженные в зависимости массы диска от возраста. Полученные результаты могут помочь укрепить общую картину эволюции планетообразующего диска, в которой доминирует возраст.
