Поиск объяснений загадочных структур в протопланетных дисках

В дисках пыли и газов вокруг молодых звезд возникают таинственные структуры. Вместе с профессором Ewine van Dishoeck, студент Paolo Cazzoletti исследует то, как мы можем объяснить эти структуры, называемые кольцами, спиралями и отверстиями.

С момента открытия первой экзопланеты в 90-х годах было найдено более 4000 экзопланет. Планеты образуются в протопланетных дисках вокруг молодых звезд. «Во-первых, пыль слипается в частицы, которые постепенно увеличиваются до размеров гальки и, в конечном итоге, до камней и планет», - рассказывает Cazzoletti. «Если они большие и достаточно тяжелые, они могут притягивать газ с диска, а в некоторых случаях превращаться в газовых гигантов, таких как Юпитер и Сатурн».

В первых наблюдениях телескопа протопланетные диски казались гладкими и симметричными. Но это изменилось около семи лет назад. Используя радиотелескоп Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA) в Чили, астрономы смогли наблюдать за дисками более пристально. «Эти наблюдения показали, что они не являются симметричными и гладкими», - говорит Cazzoletti. «Мы видели структуры и формы, такие как отверстия, кольца и подковообразные и банановые основания. Это было неожиданным открытием для нас».

Наиболее часто упоминаемым объяснением этого является наличие одной или нескольких планет. Они могут взаимодействовать с пылью и газом в диске, создавая структуры. Но было найдено меньше планет, чем необходимо, чтобы объяснить всю структуру пыли и газа. Cazzoletti говорит: «Это делает структуры более загадочными. Нам пришлось искать другие объяснения этому».

В своем исследовании объяснений структур, Cazzoletti опирается на магистерскую диссертацию. «Я давно интересовался этими планетарными дисками», - говорит он. «И знания из исследований моего магистра, казалось, хорошо вписывались в первые две главы моей диссертации».

Для своей докторской диссертации он изучал, среди прочего, наблюдения ALMA HD 135344B, диска вокруг молодой звезды. Этот диск не симметричный. На южной стороне находится банановидная структура, похожая на некий пылевой вихрь. Кроме того, мелкие частицы пыли в верхнем слое диска образуют спиральные рукава. Первоначально астрономы думали, что это было вызвано присутствием планет во внешней области диска. Но планет не было найдено. В своей диссертации Cazzoletti описывает, как спиральные рукава могут создаваться асимметричным пылевым вихрем. Если это так, то для объяснения остальной части наблюдаемой структуры нужна только одна планета, близкая к звезде.

В дополнение к этой наблюдательной работе Cazzoletti также провел теоретические исследования, чтобы объяснить кольцевые структуры в газе протопланетных дисков. Для этого он сосредоточился на молекулах цианида. «Есть две возможности, с помощью которых мы видим эти кольцевые газовые структуры», - говорит Cazzoletti. «Это может быть вызвано кольцевым отверстием в диске».

Или дыры вовсе нет, а нам кажется, что дыра существует только из-за химического состава молекул цианида и способа, которым они излучают свет». Анализируя теоретические модели, он обнаружил, что наблюдаемые формы кольца не связаны с формой пылевого диска. «В основном это химические дыры, потому что в непосредственной близости от материнской звезды меньше цианида».

Доктор философии Cazzoletti исследования способствуют лучшему пониманию того, как создаются структуры в протопланетных дисках. Обладая этим знанием, астрономы в будущем надеются выяснить, как структуры связаны с формированием планет и разнообразием экзопланетных систем, которые наблюдались в течение последних двадцати пяти лет.

Сам Cazzoletti не продолжает это исследование. Астрономы очень востребованы как специалисты по данным в целом ряде организаций. С начала ноября Cazzoletti использует свои знания в области анализа данных в качестве ученого в итальянской компании Prometeia.