Звезды и планеты растут вместе, обнаружены белые карлики

Астрономы обнаружили, что формирование планет в нашей молодой Солнечной системе началось намного раньше, чем считалось ранее, при этом строительные блоки планет росли одновременно с их родительской звездой.

Изучение некоторых из самых старых звезд во Вселенной предполагает, что строительные блоки таких планет, как Юпитер и Сатурн, начинают формироваться, пока растет молодая звезда.

Считалось, что планеты формируются только тогда, когда звезда достигает своего окончательного размера, но новые результаты, опубликованные в журнале Nature Astronomy, предполагают, что звезды и планеты «растут» вместе.

Исследование, проведенное Кембриджским университетом, меняет наше понимание того, как формировались планетарные системы, включая нашу Солнечную систему, потенциально решая главную загадку астрономии.

«У нас есть довольно хорошее представление о том, как формируются планеты, но у нас возник один нерешенный вопрос: когда они формируются: начинается ли формирование планет рано, когда родительская звезда все еще растет, или миллионы лет спустя?» — сказала доктор Эми Бонсор из Кембриджского института астрономии, первый автор исследования.

Чтобы попытаться ответить на этот вопрос, Бонсор и ее коллеги изучили атмосферы звезд белых карликов — древних, тусклых остатков звезд, подобных нашему Солнцу, — чтобы исследовать строительные блоки формирования планет.

В исследовании также приняли участие исследователи из Оксфордского университета, Университета Людвига-Максимилиана в Мюнхене, Гронингенского университета и Института исследований Солнечной системы им. Макса Планка в Геттингене.

«Некоторые белые карлики — удивительные лаборатории, потому что их разреженная атмосфера почти подобна небесному кладбищу», — сказал Бонсор.

Обычно внутренности планет находятся вне досягаемости телескопов. Но особый класс белых карликов, известных как «загрязненные» системы, содержит тяжелые элементы, такие как магний, железо и кальций, в обычно чистой атмосфере.

Эти элементы, должно быть, произошли от небольших тел, таких как астероиды, оставшиеся от образования планет, которые врезались в белые карлики и сгорели в их атмосферах.

В результате спектроскопические наблюдения за загрязненными белыми карликами могут исследовать внутренности этих разорванных на части астероидов, давая астрономам прямое представление об условиях, в которых они образовались.

Считается, что формирование планет началось с протопланетного диска, состоящего в основном из водорода, гелия и крошечных частиц льда и пыли, вращающегося вокруг молодой звезды.

Согласно современной ведущей теории о том, как формируются планеты, частицы пыли прилипают друг к другу, в конечном итоге образуя все более и более крупные твердые тела. Некоторые из этих более крупных тел будут продолжать срастаться, становясь планетами, а некоторые останутся астероидами, как те, что врезались в белых карликов в текущем исследовании.

Исследователи проанализировали спектроскопические наблюдения атмосфер 200 загрязненных белых карликов из ближайших галактик.

Согласно их анализу, смесь элементов, наблюдаемая в атмосферах этих белых карликов, может быть объяснена только тем, что многие из первоначальных астероидов когда-то расплавились, что привело к погружению тяжелого железа в ядро, в то время как более легкие элементы плавали на поверхности. Этот процесс, известный как дифференциация, привел к тому, что у Земли появилось ядро, богатое железом.

«Причина таяния может быть связана только с очень короткоживущими радиоактивными элементами, которые существовали на самых ранних стадиях планетарной системы, но распались всего за миллион лет», — сказал Бонсор. «Другими словами, если эти астероиды были расплавлены чем-то, что существует очень короткое время на заре планетарной системы, то процесс формирования планет должен начаться очень быстро».

Исследование предполагает, что картина раннего формирования, вероятно, верна, а это означает, что у Юпитера и Сатурна было достаточно времени, чтобы вырасти до своих нынешних размеров.

«Наше исследование дополняет растущий консенсус в области того, что формирование планет началось рано, и первые тела сформировались одновременно со звездой», — сказал Бонсор. «Анализ загрязненных белых карликов говорит нам, что этот процесс радиоактивного плавления является потенциально повсеместным механизмом, влияющим на формирование всех внесолнечных планет.

«Это только начало — каждый раз, когда мы находим новый белый карлик, мы можем собрать больше доказательств и узнать больше о том, как формируются планеты. Мы можем проследить такие элементы, как никель и хром, и сказать, насколько большим должен был быть астероид, когда он сформировал свое железное ядро. Удивительно, что мы можем исследовать подобные процессы в экзопланетных системах».

Эми Бонсор — научный сотрудник Королевского общества Кембриджского университета. Исследование было частично поддержано Королевским обществом, Фондом Саймонса и Европейским исследовательским советом.