Искривленные колыбели: изгибы протопланетных дисков меняют историю рождения планет

Долгое время астрономы представляли себе колыбели планет — протопланетные диски — как идеализированные, плоские и спокойные структуры, вращающиеся вокруг молодых звезд подобно гигантским космическим блинам. Эти диски из газа и пыли считались упорядоченными системами, в которых планеты формируются постепенно, словно по заранее написанному сценарию. Однако новое исследование, опубликованное в журнале Astrophysical Journal Letters, резко меняет эту картину, внося в нее хаос, изгибы и неожиданные повороты. Оказывается, что многие из этих звездных колыбелей вовсе не так идеальны, как казалось: они слегка искривлены, словно листы бумаги, поднятые ветром, и эти едва заметные наклоны могут кардинально изменить наше понимание того, как рождаются планетные системы.

Международная команда ученых во главе с  Эндрю Винтером из Лондонского университета королевы Марии использовала одну из самых мощных обсерваторий в мире — ALMA, чтобы пристально изучить структуру протопланетных дисков. В рамках масштабной программы exoALMA исследователи проанализировали радиоволны, излучаемые молекулами оксида углерода (CO), вращающимися в этих дисках. Благодаря эффекту Доплера — изменению длины волны в зависимости от направления и скорости движения источника — ученые смогли с беспрецедентной точностью измерить движение газа внутри дисков, словно считывая их «космический спидометр». Этот детальный анализ позволил выявить нечто удивительное: многие диски демонстрируют систематические наклоны и изгибы, которые указывают на их искривленную, или, как говорят, варп-структуру.

Эти искривления, как правило, составляют всего от половины до нескольких градусов — настолько незначительные отклонения, что их долгое время можно было легко упустить из виду. Однако именно в этих тонких деталях и скрывается ключ к новому пониманию формирования планет. Удивительнее всего то, что эти небольшие наклоны пугающе напоминают разницу в орбитальных наклонах планет нашей собственной Солнечной системы. Например, орбиты планет не лежат строго в одной плоскости: отклонения составляют от долей до нескольких градусов. До сих пор считалось, что эти различия возникли в результате гравитационных возмущений уже после формирования планет. Но новое исследование ставит под сомнение эту гипотезу, предполагая, что такие наклоны могли быть «зашиты» в систему с самого начала — еще на этапе формирования диска.

Эндрю Винтер подчеркивает, что это открытие может существенно изменить представление о протопланетных дисках. «Мы привыкли думать о них как о плоских и стабильных структурах, — говорит он, — но если они изначально искривлены, это меняет все: от того, как газ и пыль перемещаются внутри диска, до того, как формируются планеты и как они в конечном итоге распределяются по орбитам». Эти искривления могут влиять на турбулентность, обмен веществом между внутренними и внешними областями диска, а также на процессы аккреции — падения материи на центральную звезду. Более того, исследователи обнаружили, что степень искривления связана с тем, насколько активно молодая звезда «питается» материалом из диска. Это указывает на динамическую связь между центром системы и ее периферией, где формируются планеты.

Доктор Мириам Бенисти из Института астрономии Общества Макса Планка, участвовавшая в исследовании, отмечает, что ALMA уже не раз заставляла ученых пересматривать свои представления. «Мы ожидали увидеть гладкие диски, — говорит она, — но вместо этого обнаружили крупномасштабные структуры: спирали, асимметрии, изгибы. Это не просто косметические дефекты — это признаки глубокой динамики, которую мы пока не до конца понимаем». Эти структуры могут быть следствием гравитационного влияния невидимых компаньонов — например, двойных звезд или массивных планет, скрытых в глубине диска. Или же искривления возникают из-за внутренних процессов: нестабильностей в потоке газа, магнитных полей или сложных взаимодействий между пылью и газом.

Особую значимость открытие приобретает в контексте поиска экзопланет и понимания разнообразия планетных систем. Если искривленные диски — это не редкость, а норма, то многие из наблюдаемых сегодня экзопланет с наклонными или даже полярными орбитами могли сформироваться именно в таких условиях. Это означает, что планеты не всегда «выводятся» на свои орбиты позже — они могут рождаться уже в наклоненной среде, что делает их динамику с самого начала более сложной и менее предсказуемой.

Таким образом, это исследование показывает, что формирование планет — это не столько аккуратный, предсказуемый процесс, сколько динамическое, нестабильное и зачастую хаотичное явление. И если даже наше Солнце родилось в такой искривленной системе, это может объяснить некоторые из загадок Солнечной системы, включая наклоны орбит планет, распределение пояса астероидов и даже происхождение облака Оорта.