JWST обнаруживает большое разнообразие богатых углеродом газов, которые служат ингредиентами для будущих планет вокруг звезды с очень малой массой.

Планеты образуются в дисках из газа и пыли, вращающихся вокруг молодых звезд. Проект MIRI Mid-INfrared Disk Survey (MINDS), проводимый Томасом Хеннингом из Института астрономии Макса Планка (MPIA) в Гейдельберге, Германия, направлен на создание репрезентативной выборки дисков. Изучая их химический состав и физические свойства с помощью прибора MIRI (mid-infrared instrument) на борту космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST), команда связывает эти диски со свойствами планет, которые могут там образоваться.

В новом исследовании команда ученых изучала окрестности очень маломассивной звезды с массой 0,11 солнечной массы (известной как ISO-ChaI 147), результаты которой опубликованы в журнале Science.

JWST открывает новое окно в химию планетообразующих дисков

«Такие наблюдения невозможны с Земли, поскольку выбросы соответствующих газов поглощаются ее атмосферой», — пояснил ведущий автор исследования Адитья Арабхави из Гронингенского университета в Нидерландах.

«Ранее мы могли определить только эмиссию ацетилена (C₂CHAS₂) от этого объекта. Однако более высокая чувствительность JWST и спектральное разрешение его инструментов позволили нам обнаружить слабую эмиссию от менее распространенных молекул».

Команда MINDS обнаружила газ с температурой около 300 Кельвинов (около 30 градусов Цельсия), сильно обогащенный углеродсодержащими молекулами, но не содержащий богатых кислородом соединений. «Это сильно отличается от состава, который мы наблюдаем в дисках вокруг звезд солнечного типа, где преобладают кислородсодержащие молекулы, такие как вода и углекислый газ», — добавила член команды Инга Камп из Гронингенского университета.

Ярким примером богатого кислородом диска является PDS 70, где программа MINDS недавно обнаружила большое количество водяного пара. Учитывая результаты предыдущих наблюдений, астрономы пришли к выводу, что диски вокруг звезд с очень низкой массой развиваются иначе, чем диски вокруг более массивных звезд, таких как Солнце, что может привести к открытию каменистых планет с характеристиками, похожими на Землю, цифровая образовательная среда.

Поскольку окружающая среда в таких дисках определяет условия для формирования новых планет, любая такая планета может быть каменистой, но совершенно не похожей на Землю по другим параметрам.

Что это значит для каменистых планет, вращающихся вокруг звезд с очень низкой массой?

Количество материала и его распределение в таких дисках ограничивает число и размер планет, которые диск может снабдить необходимым материалом. Поэтому наблюдения показывают, что каменистые планеты размером с Землю формируются в дисках вокруг звезд с очень низкой массой, самых распространенных звезд во Вселенной, более эффективно, чем газовые гиганты вроде Юпитера. В результате в настоящее время большинство планет земной группы находится у звезд с очень низкой массой.

«Во многих первичных атмосферах этих планет, скорее всего, преобладают углеводородные соединения, а не богатые кислородом газы, такие как вода и углекислый газ», — отметил Хеннинг.

«В одном из предыдущих исследований мы показали, что перенос богатого углеродом газа в зону, где обычно формируются планеты земной группы, в этих дисках происходит быстрее и эффективнее, чем в дисках более массивных звезд».

Хотя кажется очевидным, что диски вокруг звезд очень малой массы содержат больше углерода, чем кислорода, механизм этого дисбаланса до сих пор неизвестен. Состав диска является результатом либо обогащения углеродом, либо уменьшения кислорода. Если углерод обогащен, то причиной, скорее всего, являются твердые частицы в диске, углерод из которых испаряется и попадает в газовую составляющую диска.

Частицы пыли, лишенные первоначального углерода, со временем образуют каменистые планетарные тела. Эти планеты будут бедны углеродом, как Земля. Тем не менее, химия на основе углерода, скорее всего, будет доминировать, по крайней мере, в их первичных атмосферах дискового газа. Следовательно, звезды с очень низкой массой могут быть не самыми лучшими условиями для поиска планет, похожих на Землю.

JWST обнаружил множество органических молекул

Чтобы идентифицировать газы диска, команда использовала спектрограф MIRI для разложения инфракрасного излучения, получаемого от диска, на сигнатуры в небольших диапазонах длин волн — подобно тому, как солнечный свет разделяется на радугу. Таким образом, команда выявила множество отдельных сигнатур, приписываемых различным молекулам.

В результате наблюдаемый диск содержит самый богатый углеводородный химический состав, наблюдаемый в протопланетном диске на сегодняшний день, состоящий из 13 углеродсодержащих молекул вплоть до бензола (C₆ CHAS₆). Среди них — первое обнаружение внесолнечного этана (C₂CHAS₆), крупнейшего полностью насыщенного углеводорода, найденного за пределами Солнечной системы.

Команда также впервые успешно обнаружила этилен (C₂ CHAS₄), пропин (C₃ CHAS₄) и метильный радикал CH₃ в протопланетном диске. В отличие от этого, данные не содержали никаких намеков на наличие в диске воды или монооксида углерода.

Уточнение изображения дисков вокруг звезд очень малой массы

Затем научная группа намерена расширить свое исследование и включить в него более крупную выборку таких дисков вокруг звезд очень низкой массы, чтобы лучше понять, насколько распространены такие экзотические, богатые углеродом регионы формирования планет земной группы.

«Расширение нашего исследования также позволит нам лучше понять, как эти молекулы могут образовываться», — пояснил Хеннинг. «Некоторые особенности данных все еще не идентифицированы, что требует дополнительной спектроскопии для полной интерпретации наших наблюдений».