ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array — Велика міліметрова/субміліметрова антена Атакама) — найпотужніший радіотелескоп у світі. Серед численних наукових завдань, які науковці виконують за його допомогою, — вивчення протопланетних дисків навколо молодих зір. Процес формування планет є важливою темою в астрономії, і завдяки здатності змінювати положення 66 радіоантен, ALMA може докладно розглядати пилові протопланетні диски і виявляти ранні ознаки формування екзопланет.

В огляді ARKS (ALMA survey to Resolve exoKuiper belt Substructures) астрономи використовували ALMA для вивчення протопланетних дисків, котрі досягли «підліткового» або «юнацького» віку. Дослідження було зосереджене на дисках, схожих на пояс Койпера в Сонячній системі. Для вивчення обрали 24 найперспективніших з цих екзо-поясів Койпера, щоб досягти двох загальних цілей: проаналізувати докладну радіальну та вертикальну структуру цих дисків та охарактеризувати їхній газовий склад. Спостереження ALMA з високою роздільною здатністю можуть допомогти астрономам зрозуміти розподіл твердих речовин та газів у дисках, а також їхню кінематику.

Екзо-пояси Койпера містять залишки речовини від формування планет і їх класифікують як пояси залишків. Вивчення цих поясів показало, що пояс Сонячної системи набагато менший і розрідженіший, ніж пояси навколо інших зір. Незалежно від їхнього розміру, це утворення в формі пончика, де навколо своїх зір обертаються крижані комети та планетезималі.

За результатами огляду ARKS опубліковано кілька наукових статей. Оглядову статтю під назвою «The ALMA survey to Resolve exoKuiper belt Substructures (ARKS)» [«Огляд ALMA для визначення підструктур екзо-поясу Койпера (ARKS)»] оприлюднено в журналі Astronomy and Astrophysics. У ній наведено опис огляду та його результати. Першим автором є Себастьян Маріно (Sebastian Marino) з кафедри фізики та астрономії Ексетерського університету (Велика Британія).

Екзо-пояси Койпера — це те, що залишається після завершення формування планет. Їх описують як юнацькі диски; вони більш повно сформовані та зрілі, ніж дуже молоді диски, що формують планети, але ще не досягли стабільного дорослого стану. Їх також описують як відсутню ланку у вивченні формування планет.

Диски залишків відрізняються від молодших протопланетних дисків, де спочатку формуються планети. Тоді як молодші диски багаті на газ і яскраві, юнацькі диски залишків є більш запиленими та тьмяними. Але потужність ALMA тепер дає змогу вивчати ці важкодоступні для спостереження диски.

«Ми часто бачили “дитячі фотографії” процесу формування планет, але досі «юнацькі роки» були відсутньою ланкою», — сказала Мередіт Ґ’ьюз (Meredith Hughes), доцент кафедри астрономії Весліанського університету в США та співавтор статті.

«Диски залишків є фазою процесу формування планет, в якій домінують зіткнення», — пояснив співавтор статті Томас Геннінґ (Thomas Henning), науковець з MPIA (Інституту астрономії Макса Планка). «Завдяки ALMA ми можемо характеризувати структури дисків, що вказують на наявність планет. Паралельно з прямим зображенням та дослідженнями радіальної швидкості ми шукаємо молоді планети в цих системах».

Формування планет у Сонячній системі завершилося мільярди років тому. Пояс Койпера зберігає докази всіх зіткнень та міграцій, які так давно створили нашу планетну систему. Хоча в огляді ARKS дослідили 24 диски залишків в інших системах, він (огляд) також відкриває вікно в молодість Сонячної системи, коли планетезималі стикалися одна з одною, відбувалося формування Місяця, а планети-гіганти мігрували через систему.

Зі спостережень за екзо-поясами Койпера виявлено різні типи підструктур. Це пояси, які містять кілька кілець, широкі гладкі гало, деякі різко окреслені кільця і ​​навіть дуги та згустки пилової речовини.

Це 24 диски залишків з огляду ARKS, виконаного за допомогою ALMA. Масштабна шкала внизу кожної панелі має значення 50 а.о. Білі хрестики показують положення центральної зорі в кожній системі. Диски мають прогалини з гострими краями, деякі з менш чітко визначеними краями, а також скупчення та дуги пилового матеріалу. Авторські права на зображення: Marino et al. 2026. A&A. Фото з сайту www.universetoday.com.

«Загалом, ми виявили, що 5 з 24 поясів мають кілька кілець, 7 з 24 поясів — низькоамплітудне випромінювання (або гало, або додаткові слабкі кільця), а решта 12 з 24 поясів відповідають одиночним поясам (деякі з яких мають підструктури, такі як плечі або плато)», — пояснили дослідники. Вони пишуть, що кілька пилових кілець, які вдалося спостерігати, могли бути «успадковані від протопланетних дисків».

Науковці також виявили, що деякі нахилені пояси мають негауссівський вертикальний розподіл, тобто вертикальний розподіл відрізняється від простої дзвоноподібної кривої. Замість того, щоб більшість частинок пилу містилися посередині кривої розподілу, а їхня кількість зменшувалась як вище, так і нижче середини диска, багато дисків демонструють більшу складність у своїх вертикальних структурах.

«Ми також виявили, що 10 з 24 поясів мають асиметрію у вигляді збільшення щільності, ексцентриситетів або деформацій», — заявили дослідники.

«Ми бачимо справжнє різноманіття — не просто прості кільця, а багатокільцеві пояси, гало та сильну асиметрію, що розкриває динамічний та бурхливий розділ в історії планет», — додав перший автор Себастьян Маріно, керівник програми ARKS.

Деякі різноманітні особливості дисків є підказками до того, як планети їх сколихнули. Деякі диски мають як спокійні зони, так і зони збурення, а деякі мають роздуті ділянки. Це схоже на те, що ми бачимо в нашому поясі Койпера, де окремі з його «мешканців» були розсіяні давньою міграцією Нептуна.

Деякі диски в ARKS також, схоже, утримували більше газу набагато довше, ніж випливало з теоретичних передбачень. Цей залишковий газ може бути в хімічному складі будь-яких планет, які все ще формуються. Газ також може виштовхувати пил у ще ширші гало.

Багато дисків далеко не первісні в інших аспектах. Деякі нахилені або перекошені, а деякі мають ексцентричні форми та дуги. Це може бути спричинено невидимими планетами, вони можуть бути схожі на шрами від попередніх міграцій планет або ж вони можуть бути спричинені взаємодією між газовим та пиловим компонентами диска.

Так само, як і юність людини, роки становлення Сонячної системи сповнені драми. Перед тим, як зрештою з’явиться зріла система, відбувається багато переходів і потрясінь.

Малюнок художника показує протопланетний диск навколо молодої протозорі. Планети формуються в цих молодих, хаотичних дисках, і з часом все заспокоюється, як це сталося в Сонячній системі. Авторські права на зображення: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO). Фото з сайту www.universetoday.com.

«Ці диски фіксують період, коли орбіти планет змінювалися, і величезні зіткнення, схожі на те, що спричинило появу Місяця — супутника Землі, формували молоді планетні системи», — сказав Лука Матра (Luca Matrà), співавтор дослідження, співкерівник огляду ARKS та доцент Трініті-коледжу Дубліна в Ірландії.

Загалом, 24 диски з огляду ARKS набагато нестабільніші та показують чіткі відмінності, як порівняти з більш розвиненими дисками. «Ми не очікували побачити такі чіткі відмінності між дисками навколо протозір та більш розвиненими дисками», — сказав Нагайоші Охаші (Nagayoshi Ohashi) з Інституту астрономії та астрофізики Академії Сініка (Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics, ASIAA, Тайвань). Охаші є першим автором однієї зі статей, підготовленої за результатами виконання огляду ARKS. Він також бере участь в іншому дослідженні протопланет за допомогою ALMA — «Early Planet Formation in Embedded Disks (eDisk)» [«Рання формація планет у вбудованих дисках, (eDisk)»].

Джон Тобін (John Tobin), співкерівник програми в Національній радіоастрономічній обсерваторії (США), додав: «Наші результати свідчать: диски навколо протозір ще не повністю готові до формування планет. Ми вважаємо, що фактичне формування планетної системи швидко прогресує протягом 100 000 — 1 000 000 років після початку зореутворення».

Коли ми дивимося на Сонячну систему, то все, здебільшого, дуже спокійно. Час від часу астероїд або міжзоряний об’єкт проходить через внутрішню частину Сонячної системи, як і комети. Але планети не мігрують, їхні орбіти стабільні, а численні зіткнення, здається, переважно залишилися в минулому, про що свідчать вкиті кратерами поверхні Місяця та інших небесних тіл.

Поверхня Місяця, вкрита кратерами, є свідченням хаосу, який вирізняв Сонячну систему в її юності. Ліворуч показано видимий бік Місяця, сфотографований космічним зондом NASA Galileo («Ґалілео»). Праворуч — зворотний бік Місяця, сфотографований космічним кораблем NASA Apollo 16. Авторські права на зображень: (ліворуч) NASA/JPL/Caltech (фото NASA № PIA00405); (праворуч) F.J. Doyle/ National Space Science Data Center. Фото з сайту www.universetoday.com.

Але так було не завжди, і ARKS та ALMA показують нам, якою була молода Сонячна система.

«Цей проєкт дає нам нову перспективу для інтерпретації кратерів на Місяці, динаміки поясу Койпера та зростання великих і карликових планет. Це як додавання відсутніх сторінок до сімейного альбому Сонячної системи», — сказала співавтор Мередіт Ґ’ьюз.

Хоча ALMA дала змогу науковцяям досягти значного прогресу у вивченні формування планет в інших планетних системах, деякі важливі питання все ще чекають на відповіді.

«Мабуть, найважливіше питання, на яке ще належить відповісти, полягає в тому, чи пов’язані будь-які або більшість спостережуваних структур з наявністю планет у цих системах», — пишуть автори дослідження.

«У деяких із цих систем є планети, але більшість із них містяться далеко від країв цих поясів. Космічний телескоп Джеймса Вебба, а незабаром і Надзвичайно великий телескоп, можуть виявити або спростувати наявність планет, які активно формують ці диски», — підсумували науковці.

За інф. з сайту www.universetoday.com