Космический телескоп Джеймс Уэбб НАСА обнаружил признаки столкновений размером с Марс.

Ученые считают, что одним из наиболее важных событий в ранней истории Солнечной системы было колоссальное столкновение молодой Земли с телом размером с Марс, известным как Тея. Удар, вероятно, испарил огромные количества горных пород и выбросил материал в космос. Часть этого обломочного материала со временем соединилась и образовала Луну, к которой возвращает людей программа Artemis НАСА, готовящаяся к Марсу и формирующая будущее исследования космоса.

Это древнее столкновение кардинально изменило Землю. Сейчас астрономы используют космический телескоп Джеймс Уэбб, чтобы изучать молодые звездные системы, в которых, по-видимому, происходят аналогично жестокие события. Изучая эти системы, исследователи могут оценить энергию столкновений и лучше понять, как формируются и эволюционируют каменистые планеты.

Результаты команды опубликованы 1 октября в журнале The Astrophysical Journal.

Уэбб нацелен на редкие «экстремальные» пылевые диски

Материал, окружающий звезду, со временем существенно меняется. Молодые звезды начинают с газообогащенного протопланетного диска, где формируются планеты. По мере созревания системы эта среда превращается в бедный газом обломочный (дебрисный) диск.

За годы работы ныне выведенный из эксплуатации телескоп Спитцер изучал такие обломочные диски и выявил необычную категорию, известную как экстремальные обломочные диски. Эти системы содержат исключительно большие количества тёплой пыли вблизи своих звезд, примерно в том же регионе, где в нашей Солнечной системе обращаются каменистые планеты.

Кейт Су из Института космической науки в Боулдере, штат Колорадо, возглавила группу астрономов, которые с помощью Уэбба исследовали эти необычные системы детальнее.

Теоретические модели предсказывают, что экстремальные обломочные диски должны быть относительно распространены, но наблюдения дают иную картину. По имеющимся данным, только около 1% молодых звезд демонстрируют наблюдаемые признаки этой стадии. Предполагается, что и наша собственная Солнечная система могла проходить через подобный этап при формировании.

Несмотря на то что такие системы редки, исследователи собрали выборку из 21 экстремального диска. Пять дисков были взяты из архива наблюдений Спитцера, а 16 изучались при помощи Уэбба. Из дисков, наблюдавшихся Уэббом, 12 были наблюдениями впервые, а четыре — повторными наблюдениями систем, ранее изученных Спитцером.

«Это первый раз, когда у нас достаточно систем, чтобы по-настоящему понять этот подкласс, который мы называем экстремальными обломочными дисками», — сказала Су, ведущая автор статьи. «До Уэбба у нас была ограниченная информация. Мы знали, что они странные и сильно отличаются от типичных холодных обломочных дисков, таких как Вега и Фомальгаут. Теперь, когда у нас больше данных, мы можем установить, что эти диски представляют в контексте формирования и эволюции планет».

Пыль раскрывает природу планетных столкновений

Исследователи подтвердили, что экстремальные обломочные диски имеют три определяющих характеристики. Размеры их пылевых зерен меньше, чем в протопланетных или более типичных обломочных дисках; они содержат необычно высокие концентрации тёплой пыли; и их яркость меняется нерегулярно со временем. Уэбб и Спитцер выявили эти особенности с помощью среднеинфракрасных спектров.

Чтобы понять, что может порождать эти необычные свойства, исследователи проанализировали минералы, присутствующие в дисках. Анализ показал, что системы можно разделить на две широкие группы: богатые на диоксид кремния (силику) диски и бедные на силику диски.

На Земле вулканическое стекло, такое как обсидиан, является примером силикатного материала. Минерал форстерит, бедный на силику, можно встретить в виде зелёного песка на некоторых пляжах Гавайев.

То, богат ли диск содержанием силики или беден ею, может дать важную информацию о столкновении, породившем его обломки. Это различие также может объяснять, почему некоторые диски демонстрируют более драматические колебания инфракрасной яркости.

«Просто увидеть их среднеинфракрасное излучение и красивые спектральные признаки с Уэбба, которые позволили нам определить их состав, — было для меня самым захватывающим», — сказала Агнеш Коспал из обсерватории Конкольи в Будапеште (Венгрия), соавтор исследования. «У нас нет другого способа напрямую изучать эти планетные эмбрионы, потому что они слишком малы».

Взаимодействия миров размером с Марс?

Примерно треть дисков в выборке оказались богатыми на силику. Исследователи считают, что такие системы, вероятно, сформировались после чрезвычайно энергичных столкновений между телами размером с Марс. Такие удары были бы достаточно мощными, чтобы испарить значительную часть каменного материала.

Оставшиеся две трети — бедные на силику. Эти системы, по-видимому, возникают в результате менее энергичных столкновений, включая касательные (шарнирные) удары между объектами размера с Луну.

Исследователи также обнаружили важную разницу по возрасту между двумя группами. Диски, богатые на силику, наблюдаются только вокруг звезд моложе 300 миллионов лет. Бедные на силику диски, напротив, встречаются вокруг звезд с гораздо более широким диапазоном возрастов и склонны демонстрировать более сильные изменения яркости.

Команда предполагает, что эта изменчивость может быть связана с быстрой эволюцией недавно созданных обломков. Изменения орбит материалов и дополнительные столкновения могут вызывать колебания инфракрасной яркости со временем.

Эти выводы также могут помочь ученым реконструировать историю нашей собственной Солнечной системы, которая могла проходить через более чем одну фазу с экстремальным обломочным диском.

«То, как формировались каменистые планеты и как эволюционировали гигантские планеты, — часть более широкой истории формирования Солнечной системы. Это всё одна история», — сказала Су. «Наша работа над экстремальными обломочными дисками помогает свести воедино общую картину того, что мы сейчас понимаем».

Подсказки к столкновению, образовавшему Луну

Компьютерные симуляции показывают, что землеподобные планеты, включая Землю, должны формироваться в первые несколько сотен миллионов лет после начала формирования звездной системы.

Этот временной интервал совпадает с возрастами наблюдаемых до сих пор экстремальных дисков, богатых на силику. Он также согласуется с оценками, что Земля и Луна сформировались примерно через 100 миллионов лет после рождения Солнца, при этом Луна, вероятно, является результатом столкновения Земли с телом размером с Марс.

Ученых также интересует, проходило ли Солнце когда-то через фазу экстремального обломочного диска, бедного на силику.

Если более старые бедные на силику диски и их кажущиеся случайными периоды изменения инфракрасной яркости вызваны орбитальной нестабильностью, то такая картина в целом совместима с гипотезой Поздней тяжелой бомбардировки для нашей Солнечной системы.

В этом сценарии гигантские планеты существенно сместились от своих первоначальных позиций. Их движение нарушило орбиты меньших объектов, запустив катастрофические столкновения и породив кратковременные периоды с большим количеством пыли, аналогичные тому, что астрономы сейчас наблюдают в экстремальных обломочных дисках.

«Разумеется, о этих дисках мы всё ещё многое не знаем», — сказал Аттила Мур из обсерватории Конкольи, соавтор исследования. «Мы не ожидаем найти системы, богатые на силику, среди более старых экстремальных дисков. В нашей выборке только три диска соответствуют такому возрастному критерию, поэтому было бы полезно наблюдать больше таких систем, чтобы подтвердить нашу гипотезу».

Космический телескоп Джеймс Уэбб — ведущая в мире обсерватория космической науки. Уэбб решает загадки в нашей Солнечной системе, исследует отдалённые миры вокруг других звезд и изучает загадочные структуры и происхождение Вселенной и наше в ней место. Уэбб — это международная программа под руководством НАСА при участии партнёров: Европейского космического агентства и Канадского космического агентства.

Материалы подготовлены НАСА. Примечание: содержимое могло быть отредактировано в стиле и по объёму.

Список авторов и ссылка на статью: Kate Y. L. Su, Attila Moór, Ágnes Kóspál, George H. Rieke, Antranik A. Sefilian, Renu Malhotra, Ilaria Pascucci, Alan P. Jackson, Péter Ábrahám, Nicholas P. Ballering. Extreme Debris Disks: Insights into Violent Collisions in Planet Formation and Destruction. The Astrophysical Journal, 2026; 1010 (1): 1 DOI: 10.3847/1538-4357/ae88fe