10 Minutės
Astronomai užfiksavo tiesiogines nuotraukas, atskleidžiančias chaotišką dviejų didžiulių susidūrimų pasekmių vaizdą jauname planetų sistemos sluoksnyje aplink gretimą žvaigždę Fomalhaut. Šios retai pasitaikančios nuotraukos rodo smėlio ir dulkių debesis, susiformavusius, kai dideli uoliniai kūnai — planetesimalai — susidūrė vienas su kitu, suteikdamos tiesioginį vaizdą apie smarkius procesus, formuojančius jaunų planetų sistemas.
A rare snapshot of planetary chaos
Planetų formavimosi ankstyvaisiais etapais yra įprasta, kad kometos, asteroidai ir planetesimalai susiduria. Per milijonus metų tokie destruktyvūs susidūrimai malūnuoja dulkes ir ledą, susidarant į nuolaužas, kurios vėliau prisideda prie planetų ir palydovų augimo. Tačiau tiesioginės didelių kūnų susidūrimų nuotraukos iki šiol buvo retos ir sunkiai gaunamos, kol Hubble kosminio teleskopo stebėjimai Fomalhauto srityje neprasidėjo 2000-aisiais.
Fomalhautas yra vos maždaug 25 šviesmečius nuo Žemės ir yra santykinai jauna žvaigždė — maždaug 440 milijonų metų amžiaus. Toks amžius ją pozicionuoja dinamiškoje planetų formavimosi fazėje: dideli objektai vis dar dažnai susiduria, o lakiųjų medžiagų turtingos dalelės cirkuliuoja plačiame nuolaužų (debris) diske. Naudodami NASA Hubble kosminį teleskopą (HST), astronomai pirmą kartą 2004 m. aptiko ryškų, tašką primenantį šviesos šaltinį žvaigždės išorinėje nuolaužų juostoje. Tuo metu jis buvo kataloguotas kaip galimas egzoplanetas ir pavadintas Fomalhaut b.
Tolimesnis stebėjimas atskleidė siurprizą. Ryškus šaltinis nesielgė kaip stabilus planetinis kūnas; jo ryškumas ir judėjimas kito laikui bėgant. 2012 m. ir vėlesnėse nuotraukose astronomai pastebėjo, kad tariamas taškinis objektas iš tikrųjų galėjo būti tankus dulkėtas debesis, susiformavęs po didžiulio smūgio. Iki 2014 m. tas pirminis šaltinis išblėso. Tada 2023 m. HST užfiksavo antrą atskirą ryškų dulkėtą debesį — dabar pažymėtą kaip cs2 — netoli juostos. Kartu šie stebėjimai žymi pirmąjį tiesioginį didelių kūnų susidūrimų vaizdą bet kurioje už Saulės sistemos egzoplanetinėje aplinkoje.
How big were the colliding bodies?
Dulkių debesų ryškumo analizė ir modeliavimo rezultatai rodo, kad susidūrimų metu dalyvavę planetesimalai buvo reikšmingo dydžio: bent apie 60 kilometrų (apie 37 mylių) skersmens. Tai maždaug keturis kartus daugiau nei spėjamojo asteroido, kuris smogė Žemei prieš 66 mln. metų, skersmuo. Tokio dydžio objektai yra tarp tipiškų Saulės sistemos asteroidų ir nykštukinių planetų — pakankamai dideli, kad susidūrimo metu sukurtų gigantiškas, stebimas nuolaužas ir dulkes.
Paul Kalas, Kalifornijos universiteto Berkeley astrofizikos profesorius ir neseniai paskelbto tyrimo pirmasis autorius, apibūdino atradimą kaip tiesioginį dviejų planetesimalų susidūrimo ir dulkėto debesies, sklaidantį žvaigždės šviesą, stebėjimą. Jis pažymėjo, kad per dešimtis ar net šimtus tūkstančių metų diskas aplink Fomalhautą gali blizgėti nuo panašių susidūrimų — tarsi šventinės lemputės, blyksinčios per visą sistemą. Tai reiškia, kad tokie susidūrimai gali būti reikšmingas debesis ir kuriančios dinamikos šaltinis jaunose planetų sistemose.
Mark Wyatt, teorinis astrofizikas Cambridge universitete ir šio darbo bendraautoris, pažymėjo, kad stebėjimas suteikia apribojimus tiek susidūrimų dalyvių dydžiams, tiek tokių objektų populiacijai diske. Remdamiesi šių dulkėtų debesų ryškumu ir dažnumu, Kalas ir kolegos apskaičiavo, kad Fomalhauto orbitoje galėtų būti apytiksliai apie 300 milijonų planetesimalų panašaus dydžio. Šis skaičius atveria galimybes detalesnėms populiacijų modelių patikroms ir kvantifikacijai diskų turtingumo bei kolizijų dažnio srityje.
Debris rings, radiation pressure, and disappearing 'planets'
Fomalhautas yra įterptas į plačią nuolaužų juostą, esančią maždaug 133 astronominių vienetų (AU) atstumu nuo žvaigždės — daugiau nei tris kartus didesnis atstumas nei mūsų Kuipero juosta nuo Saulės. Juostos ryškus vidinis kraštas jau seniai nurodė, kad galimi planetiniai kūnai galėtų formuoti ir modeliuoti šią struktūrą. Tačiau ryškūs taškiniai šaltiniai juostoje arba šalia jos ne visada reiškia egzistuojančius planetas.
Mažos dulkės dalelės yra stipriai veikiamos šeimininkės žvaigždės spinduliuotės slėgio; tokiu atveju dulkėtas debesis, skirtingai nei masyvi planetos šešėlis, gali būti stumiamas tolyn ir demonstruoti judėjimą, neatitinkantį Keplerio orbitų. Pirmasis circumstelinis šaltinis, cs1 (anksčiau žinomas kaip Fomalhaut b), pradiniuose stebėjimuose imitavo planetinį judėjimą, tačiau iki 2013 m. jis parodė kreivą, išcentrinį judesį, atitinkantį mažų dulkių spinduliuotei jautrią sklaidą. cs2 atsiradimas 2023 m. sustiprina interpretaciją, kad šios laikinos ryškios dėmės iš esmės yra smūgio sukurtos dulkės, o ne tikros planetos.
Ankstesni stebėjimai taip pat aptiko anglies monoksido (CO) dujas Fomalhauto sistemoje. CO yra laki molekulė, kuri rodo, kad daugelis planetesimalų greičiausiai yra turtingi lakiomis medžiagomis, panašiai kaip mūsų Saulės sistemos ledo turtingos kometos. Šis lakiųjų medžiagų inventorius keičia susidūrimų evoliuciją — lediniai kūnai gali išlaisvinti dujas ir sukurti kitokius dulkių dinamikos modelius nei sausi uolėti smūgiai, todėl dujų aptikimai yra svarbus indikatorius rekonstruojant susidūrimų fizinę tapatybę.
Implications for planet formation and collision frequency
Standartiniai planetų formavimosi modeliai prognozuoja, kad labai didelių objektų susidūrimai turėtų būti gana reti — galbūt po vieną katastrofišką įvykį kas ~100 000 metų formuojančioje sistemoje. Rasti du tokius ryškius smūgių pėdsakus per mažiau nei du dešimtmečius vienoje sistemoje verčia astronomus peržiūrėti arba statistines prielaidas, arba kai kurias modelių detales apie disko evoliuciją ir planetesimalų populiaciją.
Yra dvi plačios galimybės. Pirma — grynas atsitiktinumas: Fomalhaute atsitiktinai įvyko du aptinkami susidūrimai tuo ribotu HST stebėjimų laikotarpiu. Antra — intriguojanti prielaida, kad masyvūs susidūrimai gali būti dažnesni tam tikruose disko evoliucijos etapuose nei dabartiniai modeliai prognozuoja. Jei tokie dideli smūgiai iš tikrųjų įvyksta dažniau, jie gali turėti reikšmingesnį vaidmenį formuojant planetų architektūras ir perduodant lakiuosius junginius į vėlesnes planetų stadijas.
Be to, šie įvykiai suteikia retą laboratoriją tiriant planetesimalų vidinę struktūrą ir cheminę sudėtį. Dulkių kiekis ir sklaidos savybės, kartu su dujų aptikimu, leidžia mokslininkams daryti išvadas, ar susidūrimų dalyviai buvo porėti, ledo turintys ar labiau uoliniai. Tokia informacija grąžinasi į planetesimalų augimo, trupinimo ir perrinkimo modelius, praturtindama mūsų supratimą apie akrecijos ir fragmentacijos procesus jaunose diskų sistemose.
Expert Insight
Dr. Elena Moreno, stebimoji astrofizikė, specializuota circumstellarinių diskų tyrimuose, komentavo: 'Tiesioginis smūgio sukurtų dulkių debesų vaizdavimas suteikia unikalų diagnostikos įrankį planetų formavimosi procese. Šių debesų dydis, ryškumas ir judesys leidžia mums išbandyti, kaip energija paskirstoma susidūrimų metu ir kaip greitai nuolaužos disperguojasi. Bendradarbiaujant Hubble ir JWST galime sekti vieno įvykio evoliuciją nuo dienų iki dešimtmečių ir lyginti gautus duomenis su laboratoriniais bandymais bei skaitmeninėmis simuliacijomis.' Ši ekspertinė nuomonė pabrėžia, kad sinergija tarp skirtingų bangos ilgių stebėjimų ir laiko tęstinumo yra esminė atskiriant laikinas dulkių struktūras nuo ilgalaikių planetinių objektų.
How these observations were made and why they matter for future missions
Šie atradimai daugiausia remiasi ilgamečiu Hubble kosminio teleskopo vaizdavimo programa, orientuota į Fomalhauto monitoringą, kuri prasidėjo 1990-aisiais ir tęsėsi per epizodinius stebėjimus 2004, 2006, 2010, 2012, 2013 ir 2014 metais. Po devynerių metų pertraukos Hubble vaizdai 2023 m. atskleidė cs2. Žemesnės kokybės 2024 m. nuotrauka ir vėlesni patikrinimai patvirtino dulkėto debesies interpretaciją. Papildomi stebėjimai 2025 m. rugpjūtį parodė, kad cs2 išliko matomas ir — svarbu — buvo apie 30 % ryškesnis nei cs1, kai jis buvo aptiktas. Tokie temporaliniai palyginimai yra kertiniai identifikuojant laikinus smūgių produktus.
Kad būtų galima sekti debesies plėtrą ir tiksliai nustatyti jo orbitą, Kalas ir jo komanda gavo stebėjimų laiką per ateinančius trejus metus tiek HST, tiek James Webb kosminiam teleskopui (JWST) su NIRCam. JWST didelis jautrumas artimiausioje infraraudonojo spektro srityje gali padėti žemėlapinti dulkių grūdelių savybes ir galimą terminį emisiją, o kartotiniai HST vaizdai suteikia aukšto kontrasto optinius vaizdus sklaidos šviesoje. Stebint, kaip debesis plečiasi, blanksta ir juda, bus apribojami dalelių dydžiai ir išmetamųjų medžiagų kinematika, o tai leidžia rekonstruoti smūgio energiją bei fragmentų greičius.
Yra praktinių pamokų būsimoms egzoplanetų vaizdavimo misijoms. Ateities observatorijos, siekiančios tiesiogiai vaizduoti Žemės tipo planetas — tokios kaip siūloma Habitable Worlds Observatory — pasikliaus itin slaptų taškinių šaltinių aptikimu labai arti ryškių žvaigždžių. Kalas įspėja, kad susidūrimų dulkėtos debesys gali imituoti planetas, generuodami laikinas taškines signalas. Be laiko sekančių vaizdų ir daugbanginio ilgio charakterizacijos, dulkėtas debesis gali būti klaidingai identifikuotas kaip egzoplanetų kandidatas.
Kaip Kalas teigė: 'Kai pradėsime tyrinėti žvaigždes su jautresniais būsimais teleskopais... turėsime būti atsargūs, nes tie silpni šviesos taškai, skriejantys aplink žvaigždę, gali būti ne planetos.' Fomalhauto atvejis laiku primena derinti tiesioginio vaizdavimo kampanijas su laiko stebėjimu ir spektro-fotometrinėmis patikromis, kad būtų galima atskirti tikras planetas nuo trumpalaikio nuolaužų fono.
Next steps and future prospects
Tolesni stebėjimai orientuojami į kelis aiškiai išmatuojamus tikslus: nustatyti, ar cs2 dulkėtas debesis plečiasi (ir kokiu greičiu), nubraižyti jo orbitinį kelią, išmatuoti dalelių dydžių pasiskirstymą ir aptikti bet kokią terminę emisiją ar dujų požymius su JWST. Šie duomenys padės įvertinti smūgio energiją ir tikėtiną susidūrimų dalyvių cheminę sudėtį bei sandarą.
Už Fomalhauto ribų šie rezultatai motyvuoja sisteminį jaunų, netoli esančių žvaigždžių su ryškiais nuolaužų diskais monitoringą. Daugelis sistemų greičiausiai patiria nuolatinę kolizinę evoliuciją; užfiksavus papildomus įvykius bus galima tiksliau nustatyti kolizijų dažnį ir patikrinti, ar Fomalhautas yra išskirtinis atvejis ar tipinis pavyzdys jaunoms planetų sistemoms.
Galiausiai Fomalhauto stebėjimai jungia mastus nuo mažų Saulės sistemos bandymų iki egzoplanetų formavimosi. 2022 m. DART misija, sukūrusi kuklų dulkėtą debesį smogus Dimorphos asteroidui, suteikia kalibracijos tašką; Fomalhauto debesys yra maždaug milijardą kartų didesni mastu, bet abu įvykiai pabrėžia bendrus fizinius procesus skirtingose sistemose. Tokie palyginimai leidžia pritaikyti vietinių mokslo bandymų rezultatus prie tolimų astronominių reiškinių.
Iš esmės stebime, kaip planetų sistemos formuojasi ir persitvarko realiu laiku: katastrofiški susidūrimai, laikinos dulkių skraistės ir lėtas diskų skulptūravimas į stabilias planetines architektūras. Su Hubble, JWST ir būsimomis observatorijomis, pasirengusiomis stebėti šiuos fejerverkus, astronomai įgauna vis aiškesnį langą į netvarkingą pasaulių gimimą.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą