Питання про походження води на молодих кам’янистих планетах залишається одним із найцікавіших у сучасній астрономії. Чи виникає вона безпосередньо в теплому внутрішньому диску, чи її приносять крижані тіла з холодніших зовнішніх районів? Нова робота про систему PDS 70 додає сильний аргумент на користь другого сценарію: біля зорі знайшли ознаки невеликих тіл на витягнутих орбітах, які під час зближення буквально випаровуються.
PDS 70 — дуже молода зоря віком приблизно 5,4 млн років. Вона оточена протопланетним диском і вже має щонайменше дві підтверджені масивні планети, PDS 70 b та PDS 70 c. Саме тому система стала природною лабораторією, де можна спостерігати планетоутворення майже «в прямому ефірі».
Спочатку JWST побачив воду, а потім виникло питання — звідки вона взялася
Спостереження космічного телескопа James Webb раніше виявили водяну пару у внутрішній частині диска PDS 70 — там, де потенційно можуть формуватися кам’янисті планети. Температура цієї води становить близько 600 кельвінів, а область її присутності лежить дуже близько до зорі.
Одне пояснення полягає в тому, що вода утворюється там на місці внаслідок хімічних реакцій. Інше — що крижаний пил із зовнішніх районів диска поступово дрейфує всередину. Нове дослідження пропонує третій механізм: воду та інші леткі речовини можуть приносити планетезималі, розсіяні гравітацією великих планет.
Ключем стали архівні спектри інструмента HARPS. У них дослідники знайшли змінні лінії поглинання нейтрального натрію. Їхня сила, кількість і швидкість змінювалися буквально від дня до дня. Газові хмари поводилися так, ніби були компактними й швидко рухалися перед диском зорі.
Найкраще пояснення — кометоподібні тіла на дуже витягнутих орбітах
Дослідники перевірили кілька можливих джерел натрію, включно з дисковим вітром. Однак сукупність ознак — різкі зміни швидкості, випадкова поява ліній, часткове перекриття зоряного диска та висока щільність газу — краще відповідає сценарію екзокомет.
Коли таке тіло на сильно витягнутій орбіті наближається до зорі, поверхневі речовини швидко нагріваються та переходять у газ. Саме тоді в спектрі можуть з’являтися характерні лінії натрію. За грубими оцінками, для пояснення спостережуваних хмар достатньо планетезималей діаметром приблизно від 0,3 до 1,1 км, якщо значна частина речовини сублімує.
Комп’ютерні моделі показали, що великі планети в системі PDS 70 дійсно здатні гравітаційно розкидати невеликі тіла із зовнішнього диска у внутрішні області. Частина таких планетезималей переходить на дуже ексцентричні орбіти й починає регулярно наближатися до зорі.
Це може бути підказкою до історії води на Землі
Звичайно, PDS 70 — не Сонячна система, і переносити її історію на Землю буквально не можна. Але механізм дуже знайомий. У ранній Сонячній системі астероїди й комети теж могли переносити воду та органічні речовини з холодних зовнішніх регіонів до внутрішніх планет.
Якщо екзокометна активність біля PDS 70 підтвердиться, ця система стане однією з наймолодших, де такий процес спостерігається безпосередньо. Особливо важливо, що тут уже є підтверджені планети, тобто можна зв’язати гравітаційну архітектуру системи з рухом дрібних тіл і можливим перенесенням летких речовин.
Найцікавіше в цій роботі навіть не саме слово «комета», а поява цілісної картини. Велика планета може розсіяти невелике крижане тіло, воно летить у внутрішню частину системи, нагрівається біля зорі, випускає газ і потенційно залишає частину води там, де формуються кам’янисті світи. Саме з таких процесів, можливо, й починається історія майбутніх океанів.
PDS 70 цікава ще й тим, що її диск має велику прогалину, вирізану молодими планетами. На перший погляд така структура мала б заважати перенесенню матеріалу з холодного зовнішнього диска всередину. Але саме планети можуть одночасно бути і бар’єрами, і «гравітаційними катапультами»: вони змінюють орбіти малих тіл, частину викидають назовні, а частину, навпаки, направляють майже до самої зорі.
Натрій у цьому сенсі працює як зручний спектральний маркер. Він легко випаровується з нагрітої поверхні й залишає помітні лінії в оптичному спектрі. Якщо ті самі хмари містять воду, вуглецеві сполуки та інші леткі речовини, безпосередньо побачити їх значно складніше, але динаміка натрію дозволяє відстежити сам процес руйнування планетезималей.
У майбутньому астрономи зможуть перевірити гіпотезу повторними спостереженнями HARPS, UVES та іншими високоточними спектрографами. Якщо лінії натрію систематично з’являтимуться на швидкостях, очікуваних для тіл, що падають до зорі або віддаляються після проходження перицентру, екзокометна модель стане набагато переконливішою. А порівняння з інфрачервоними даними JWST дасть шанс прямо зв’язати рух малих тіл із водяною парою у внутрішньому диску.
