Анализ 1155 систем: условия для рождения планет могут возникать чаще, чем считалось ранее

Исследователи Санкт-Петербургского государственного университета составили наиболее полную и репрезентативную выборку данных о массах протопланетных дисков. Анализ более тысячи систем показал значительные расхождения с прогнозами теоретических моделей. Результаты исследования опубликованы в журнале Astronomy Reports.

Одним из наиболее вероятных объяснений может быть систематическая недооценка массы дисков современными методами наблюдений и впоследствии ошибочные расчеты того, насколько часто во Вселенной возникают условия, благоприятные для рождения планет. Протопланетные диски романтично называют колыбелями планет, так как в их плотных, вращающихся вокруг молодых звезд облаках газа и пыли действительно происходит формирование небесных тел. Один из основных механизмов этого процесса — гравитационная неустойчивость, возникающая при условии, если собственное притяжение диска преобладает над эффектами давления и вращения, препятствующими сжатию вещества. Тогда небольшие неоднородности могут усиливаться и формировать плотные сгустки, из которых впоследствии рождаются планеты.

Чтобы определить, насколько условия благоприятны для развития этой неустойчивости, ученые СПбГУ используют параметр Тоомре Q — показатель, характеризующий соотношение между собственной гравитацией диска и стабилизирующим воздействием давления газа и вращения. При Q < 1 система считается гравитационно неустойчивой, а при 1 ≤ Q ≤ 2 — погранично устойчивой.

То есть потенциально гравитационно неустойчивые диски рассматриваются как среда, в которой могут быстро возникнуть планеты. Если масса объекта выше расчетной, часть систем, которые сегодня считаются устойчивыми, на самом деле может быть способна к более активному формированию небесных тел. Важно отметить, что гравитационная устойчивость — один из возможных механизмов формирования крупных структур, а ее распространенность при заниженных массах может быть недооценена, что приведет к неверной трактовке эволюции молодых планетных систем.

Для работы исследователи объединили данные десяти обзоров областей звездообразования — итоговая выборка составила 1155 систем. Для каждой из них ученые рассчитали параметр Тоомре на основе наблюдаемых характеристик и построили распределение объектов по массам. Значение Q оказалось меньше единицы у 14 дисков, еще 20 систем попали в диапазон Q=1—2. Таким образом, признаки неустойчивости или близкого к ней состояния обнаружены примерно у 2,9% дисков, что существенно расходится с имеющимися теоретическими представлениями.

«Мы столкнулись с парадоксальной ситуацией: теоретические модели предсказывают, что гравитационно неустойчивые диски должны существовать значительно дольше, чем следует из их доли в наблюдаемой выборке. Возможно, проблема не в самих дисках, а в том, как мы определяем их массу. Если мы недооцениваем ее в десятки раз, диск, который сейчас кажется устойчивым, на самом деле может быть неустойчивым», — рассказал руководитель исследования, астрофизик, доцент СПбГУ Сергей Хайбрахманов.

Как отмечают исследователи, такое противоречие может быть связано тем, что методы определения массы основаны на расчетах по излучению газа и пыли с частично известными свойствами, среди которых температура, размеры частиц и количество вещества. Накопленные мелкие неточности, по отдельности не влияющие на итоговые вычисления, в совокупности способны приводить к существенной ошибке. Из‑за этого реальные массы отдельных дисков могут быть выше расчетных в десять и более раз, что напрямую влияет на оценку устойчивости: при увеличении реальной массы снижается значение параметра Тоомре.

При этом существует еще один важный фактор: системы могут действительно быть менее массивными, чем предполагают модели, из‑за особенностей их эволюции. Поэтому ученые СПбГУ дополнительно сопоставили рассчитанные значения параметра Тоомре со структурой дисков, изучили кольца, спиральные рукава и так называемые «щели» в распределении вещества диска, которые могут быть связаны с процессами формирования планет.

«Морфология диска сама по себе не позволяет однозначно установить наличие гравитационной неустойчивости: похожие структуры могут возникать под воздействием разных физических механизмов. Поэтому существующие оценки массы протопланетных дисков правильнее рассматривать как нижнюю границу истинного значения. Это существенно меняет наше представление о распространенности условий, благоприятных для развития гравитационной неустойчивости», — объяснила автор исследования, студентка СПбГУ Софья Дробчик.

По словам университетских экспертов, для подтверждения полученной гипотезы необходимо произвести более точную оценку массы исследованных дисков. Для этого требуется сопоставить многоволновые наблюдения одних и тех же объектов — данные, полученные в разных спектральных диапазонах. Также среди перспективных направлений продолжения подобных исследований — наблюдение молекул газа, менее чувствительных к существующим неопределенностям, развитие химических моделей и уточнение представлений о строении и движении пыли.