Открытие воды в звездной системе поможет объяснить происхождение каменистых экзопланет

Вода необходима для жизни в том виде, в котором мы ее знаем. Однако ученые спорят о том, как она попала на Землю и могут ли те же процессы привести к образованию каменистых экзопланет, вращающихся вокруг далеких звезд.

Новые сведения об этом может дать планетарная система PDS 70, расположенная на расстоянии 370 световых лет от нас. Звезда имеет как внутренний, так и внешний диск из газа и пыли, разделенные промежутком шириной 5 млрд. миль (8 млрд. км), внутри которого находятся две известные планеты-газовые гиганты.

Новые измерения, проведенные прибором MIRI (Mid-Infrared Instrument) космического телескопа NASA James Webb, позволили обнаружить водяной пар во внутреннем диске системы на расстоянии менее 100 млн. миль (160 млн. км) от звезды — в области, где, возможно, формируются скалистые земные планеты. (Это первое обнаружение воды в земной области диска, на котором, как известно, уже находятся две или более протопланет.

Мы видели воду и в других дисках, но не так близко и не в системе, где в настоящее время происходит сборка планет. До Webb мы не могли проводить подобные измерения, — говорит ведущий автор исследования Джулия Перотти (Giulia Perotti) из Института астрономии Макса Планка (MPIA) в Гейдельберге (Германия).

Это открытие чрезвычайно интересно, поскольку оно позволяет исследовать область, в которой обычно формируются скалистые планеты, подобные Земле», — добавил директор MPIA Томас Хеннинг, соавтор статьи.

Хеннинг является одним из главных исследователей прибора MIRI (Mid-Infrared Instrument), с помощью которого было сделано открытие, и главным исследователем программы MINDS (MIRI Mid-Infrared Disk Survey), в рамках которой были получены данные.

Паровая среда для формирования планет

PDS 70 — звезда K-типа, более холодная, чем наше Солнце, и ее возраст оценивается в 5,4 млн. лет. Это относительно старый возраст для звезд с планетообразующими дисками, поэтому обнаружение водяного пара стало неожиданностью.

Со временем содержание газа и пыли в планетообразующих дисках уменьшается. Либо излучение и ветры центральной звезды выдувают этот материал, либо пыль превращается в более крупные объекты, которые в конечном итоге образуют планеты. Поскольку в предыдущих исследованиях не удалось обнаружить воду в центральных областях дисков такого же возраста, астрономы предположили, что она может не выдержать жесткого звездного излучения, что приведет к образованию сухой среды для формирования каменистых планет.

Астрономы пока не обнаружили планет, формирующихся во внутреннем диске PDS 70. Однако они видят сырье для создания скалистых миров в виде силикатов. Обнаружение водяного пара предполагает, что если там формируются каменистые планеты, то вода будет доступна им с самого начала.

Мы обнаружили относительно большое количество мелких пылевых зерен. В сочетании с обнаружением водяного пара внутренний диск представляет собой очень интересное место, — говорит соавтор работы Ренс Уотерс (Rens Waters) из Университета Радбоуда (Нидерланды).

Каково происхождение воды?

В связи с этим открытием возникает вопрос о том, откуда взялась вода. Команда MINDS рассматривала два различных сценария для объяснения своего открытия.

Один из них заключается в том, что молекулы воды образуются на месте, где мы их обнаруживаем, при соединении атомов водорода и кислорода. Второй вариант заключается в том, что покрытые льдом частицы пыли переносятся из холодного внешнего диска в горячий внутренний диск, где водяной лед сублимируется и превращается в пар. Такая система переноса была бы удивительной, поскольку пыль должна была бы преодолевать большой зазор, образованный двумя планетами-гигантами.

Другой вопрос, возникший в связи с открытием, — как вода могла выжить в такой близости от звезды, когда ультрафиолетовое излучение звезды должно разрушить все молекулы воды. Скорее всего, защитным экраном послужило окружающее вещество, такое как пыль и другие молекулы воды. В результате вода, обнаруженная во внутреннем диске PDS 70, могла выжить после разрушения.

В дальнейшем для изучения системы PDS 70 команда будет использовать еще два прибора «Уэбба» — NIRCam (камеру ближнего инфракрасного диапазона) и NIRSpec (спектрограф ближнего инфракрасного диапазона), чтобы получить еще более полное представление о ней.

Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

24.07.2023