Астрономы изучают прошлое Солнечной системы, анализируя другие звезды на более ранних этапах эволюции. Долгое время им не удавалось найти аналог нашей системы в «детском» виде, а именно — богатый железом протопланетный диск. Без железа Земля имела бы совсем другой облик и жизнь в нынешнем виде вряд ли была возможна. Теперь ученым из Института астрономии Общества Макса Планка удалось найти систему, в которой есть три региона, где могут сформироваться каменистые планеты, — один из них как раз близок по диаметру орбите Земли.
Не видно похожих на нас
Древние люди помещали Землю в центр Вселенной и считали ее уникальным объектом. Это было естественно, поскольку трудно представить себе, что тусклые точки в небе могут вблизи быть похожи на планету под ногами и на раскаленное Солнце. Но чем больше люди наблюдали за небом, тем острее понимали, что античная геоцентрическая модель ошибочна.
Наиболее радикально ей стал возражать итальянский мыслитель Джордано Бруно. Он взял за основу теорию астронома Коперника о вращении Земли вокруг Солнца и сделал из нее далеко идущие философские выводы. Бруно утверждал, что Вселенная бесконечна, а не ограничена небесной сферой, что Солнце — лишь одна из многих звезд, а небесная материя принципиально тождественна земной и что миры, подобные нашему, должны существовать во Вселенной повсюду.
Его подход не был научным в современном смысле слова и основывался он, в первую очередь, на античной мистике и философии. Тем не менее, его воззрения повлияли на современников-интеллектуалов и способствовали Научной революции. Интересно, что казнили его вовсе не за космологию, а за отрицание христианских догматов — в первую очередь, он не верил в божественность Христа и посмертное воздаяние, а так же отождествлял Бога с материальной Вселенной.
Учение Бруно в своих основных выводах совпадает с современной астрофизикой, — в частности, астрономы исходят из предпосылки, что Солнечная система не уникальна, а одна из многих похожих. Следовательно, наблюдая за соседними звездными системами, можно найти аналог нашей на раннем или более позднем этапе эволюции. Однако до настоящего момента астрономам не удавалось найти ни один протопланетный диск с богатыми железом участками.
Как появилась Солнечная система и протопланетный диск
Солнечная система, как и все другие, возникла из газопылевого облака около 4,5 млрд лет назад. Облако состояло в основном из водорода, первичного элемента Вселенной, все остальные элементы присутствовали как примеси, синтезированные предыдущими поколениями звезд. Под действием гравитации это облако постепенно сжималось и, из-за закона сохранения углового момента, начинало вращаться. Постепенно из-за сжатия возникла плотная и горячая область, а материал по краям под действием центробежной силы вытянулся в протопланетный диск. Когда центральный объект достаточно разогрелся и сжался, зажглась термоядерная реакция и возникла звезда.
Железо — один из наиболее распространенных химических элементов планет земной группы: Меркурия, Венеры, Земли и Марса. Оно составляет 32% массы Земли и в основном сосредоточено в ядре. На другие тяжелые элементы — магний, кремний и кислород — приходится 59%. Такое соотношение элементов не типично для Вселенной, которая в основном состоит из водорода. Земля же приобрела свой химический состав из-за неоднородности протопланетного диска, вращавшегося вокруг Солнца на ранних этапах существования системы. Большая часть водорода ушла на формирование Солнца и планет-гигантов, а тяжелые элементы, способные образовывать горные породы, в значительной степени сконцентрировались во внутренних областях системы, между современными орбитами Меркурия и Главным поясом астероидов.
Таким образом, если бы астрономам не удалось найти «зачатки» будущих каменистых планет с большой долей железа в составе, это бы поставило под сомнение гипотезу заурядной (или типичной) Солнечной системы и Земли.
Три концентрических кольца
Йозеф Варга из Института астрономии Общества Макса Планка (MPIA) и его коллеги исследовали систему звезды HD 144432 A в 500 св. годах от Земли. Они пришли к выводу, что ее можно считать аналогом молодой Солнечной системы. Современные телескопы позволяют напрямую увидеть лишь самые яркие экзопланеты и точно не способны сделать фотографию небольших участков протопланетного диска. Вместо этого ученые на протяжении долгого времени анализировали излучение всей системы и отдельных ее крупных регионов с помощью спектрометров. Основным инструментом был «Очень большой телескоп» (VLT), расположенный в Чили.
Данные собирали с 2019 по 2022 год и анализировали с помощью физических моделей: какой должна быть планетная система, чтобы порождать такое излучение.
«При изучении распределения пыли во внутренней области диска мы впервые обнаружили сложную структуру, в которой пыль формирует три концентрические кольца. Этот регион соответствует зоне формирования каменистых планет Солнечной системы», — пояснил Рой ван Бокель, один из соавторов работы.
Первое кольцо удалено от звезды на расстояние орбиты Меркурия, второе — между Землей и Марсом, третье примерно соответствует орбите Юпитера. Ранее похожие кольцевые структуры находили лишь в удаленных регионах систем, примерно на месте орбит Урана и дальше. Как считают ученые, пробелы между кольцами порождены двумя планетами-гигантами, «зачистившими» свою орбиту от газа и пыли. Исходя из ширины разрывов, масса этих планет должна быть близкой к Юпитеру, однако ученые допускают и альтернативную интерпретацию, но наблюдают не разрывы, а темные участки.
Железное царство
Куда более планет-гигантов земным ученым интересны остатки протопланетного диска, где в течение следующих эпох могут образоваться планеты земного типа. Как оказалось, пыль состоит из металло-силикатно-кислородных компонентов и, возможно, из металлического железа — как раз такой состав имеют планеты земной группы.
«Однако с точки зрения химии для горячих внутренних областей диска смесь железа и силикатов более вероятна. И действительно, химическая модель, которую мы использовали, дает более точные результаты при замене углерода на железо», — поясняют ученые.
Диск неоднороден. Например, в участке радиусом 1,3 земных орбиты сосредоточена основная масса материи в кристаллической форме, в первую очередь, минерала форстерита (Mg2SiO4) и энстатита (Mg2[Si2O6]). Это связано с градиентом температуры: внутренние области диска раскалены до 1500 градусов Цельсия, а внешние имеют температуру около 25 градусов. Высокая температура плавит материал и заставляет его сливаться в кристаллы.
По этой же причине во внутренних областях мало твердого углерода, поскольку при высокой температуре он окисляется до угарного или углекислого газа.
«Мы думаем, что диск HD 144432 может быть очень похож на раннюю Солнечную систему, которая оставила много железа каменистым планетами. Наше исследование — еще один пример, показывающий, что состав Солнечной системы может быть вполне заурядным [в Галактике]», — подводят итог астрономы.
В ближайшем будущем ученые планируют использовать эту же методологию для анализа других протопланетных дисков, среди которых, по их мнению, есть еще более перспективные и похожие на Солнечную систему, чем HD 144432.