Американські астрономи запропонували використовувати міжзоряні об'єкти як міру втраченого протопланетними дисками матеріалу. Тобто тієї речовини, яку замість того, аби створити нову планету, диск відкинув та дав початок об'єктам, що не прив'язані гравітацією до жодного тіла. Тому такі тіла як Оумуамуа або комета Борисова разом зі спостережуваними планетами-сиротами, можуть стати поясненням, чому з протопланетних дисків утворюється так мало планет. Авторами статті виступили відкривачі кандидата у міжзоряні об'єкти CNEOS 2014-01-08, її препринт доступний на сервісі arXiv.
Міжзоряна комета Борисова, знята «Габблом». NASA, ESA, and D. Jewitt (UCLA)
Що не так з міжзоряними об'єктами?
Першим міжзоряним об'єктом, тобто таким, що не має батьківського тіла і ні до кого гравітаційно не прив'язаний, став Оумуамуа. Його виявили у Сонячній системі в 2017 році та оцінили розмір у 20-200 метрів на основі кривої відбитого сонячного світла. За відкриттям Оумуамуа в 2019 році послідувало відкриття другого міжзоряного об'єкта — комету 2I / Борисова, розмір якого оцінюється від 400 метрів до кілометра. Ці два астрономічних тіла подорожували через Сонячну систему протягом століть і повинні бути частиною мільйонної популяції міжзоряних об'єктів. Наприклад, передбачувана кількість об'єктів, схожих на Оумуамуа, становить 10^-1 астрономічної одиниці, а схожих на 2I / Борисова — 9x10^-3 астрономічної одиниці. І це не враховуючи планет-сиріт, землеподібних з яких у нашій галактиці на кожну зірку в середньому припадає від однієї до десяти.
Але не зважаючи на таку їхню оцінювану кількість, тим паче, що вчені спрогнозували появу в Сонячній системі семи міжзоряних об’єктів щорічно, походження міжзоряних об'єктів — нерозгадана загадка. Таку кількість не можуть пояснити ані хмари Оорта, ані протопланетні диски — їхньої маси просто не вистачає, щоб заповнити необхідний для створення такої популяції міжзоряних об'єктів запас. Популярна альтернативна теорія щодо походження міжзоряних об'єктів від «екзоплутонів», тобто схожих на наш Плутон, повних замерзлого азоту тіл з-за меж Сонячної системи, на думку дослідників, не здатна пояснити, як такі об'єкти вижили у міжзоряних подорожах стільки часу з таким складом. Авторами цього дослідження є астрономи Амір Сірадж (Amir Siraj) та Авраам Леб (Abraham Loeb), які 2019 року повідомили про відкриття кандидата у міжзоряні об'єкти CNEOS 2014-01-08. У цій роботі вони задалися питанням — скільки маси на одну зірку потрібно, щоб виробляти міжзоряні об'єкти зі своїх протопланетних дисків? Свої результати вони планують використати для моделювання тіл, що могли утворити міжзоряні об'єкти та пов'язаних з ними астрофізичних процесів.
До чого тут протопланетні диски?
Відповідно до прийнятої гіпотези, хмара Оорта є залишком вихідного протопланетного диска, який сформувався навколо Сонця приблизно 4,6 мільярда років тому. Тобто тією самою купою газу і пилу, що обертаються навколо щойно сформованих зір, та здатні концентруватися у планети, але відкинутою на відстань від 50 000 до 100 000 астрономічних одиниць. Масу хмари, що імовірно постачає нам довгоперіодичні комети, оцінюють у 1.9 земних, але оскільки принаймні 25-65 її відсотків з часом втрачаються, то верхньою межею її початкової маси можна вважати 5,4 маси Землі. Але це всього один відсоток від центрального значення повної маси міжзоряних об'єктів, тож хмари Оорта є неправдоподібними джерелами їхньої появи. Але якщо розглянути протопланетний диск нашої зорі Сонця? Протопланетний диск Сонця, за оцінками, містить 12-65 земних мас речовини для твердих тіл. Для порівняння, всього 3-4 відсотки спостережуваних протопланетних дисків від інших зір, містять принаймні 10^2 земних мас твердих тіл. Тож його цілком вистачило б і на вісім планет, і на когось подібного кометі Борисова.
Чому б Сонцю не сформувати більше планет?
Для оцінки розміру і кількості міжзоряних об'єктів пара дослідників виконала моделювання методом Монте-Карло. Так їм вдалося побудувати модель сонячної туманності з мінімальною масою (Minimum Mass Solar Nebula, MMSN), яка враховує появу і подібних Оумуамуа чи кометі Борисова тіл. Взагалі під сонячною туманністю мінімальної маси розуміють сонячний протопланетний диск, що містить достатню кількість речовини для формування восьми планет Сонячної системи. Але, враховуючи металічність Сонця, а також те, що планети-сироти і міжзоряні об'єкти і самі складаються з елементів, важчих, ніж водень і гелій, мінімального викиду маси з протопланетного диска — близько одного відсотка сонячної — вистачило б і на планети, і на значно менші міжзоряні об'єкти на кшталт Оумуамуа.
Головним результатом моделювання є необхідна кількість маси для утворення міжзоряних об'єктів, більших, ніж Оумуамуа — вони заберуть на себе від двох до 50 відсотків викинутої речовини диска, а отже і обмежать можливості для утворення планет. Таким чином вчені запропонували модель, яка здатна пояснити перетворення протозоряної речовини на планетезималі розміром до кілометра, а також їхнього подальшого вигнання за межі системи через гравітаційний вплив. Крім того, це свідчить про те, що протопланетні диски викидають більше матеріалу, ніж витрачається на створення планет, а отже також вимагають перегляду астрофізичних процесів для планетоутворення.
Протопланетні диски є важливою частиною того, ландшафту, який ми можемо спостерігати у телескопи. Наприклад, нещодавно вченим вдалося зловити потрійну зоряну систему за руйнуванням власного такого, хоча, вочевидь, вона могла б отримати собі кілька планет та створити кілька міжзоряних об'єктів. Також і у створених дисками планет можуть бути свої власні, вже навколопланетні диски, тому радіотелескопу Атаками вдалося побачити формування супутника в екзопланети. Він же зафіксував паралельне формування зірки та планети у системі. Так само і у планет сиріт, яких ми тут обговорювали, можуть бути свої супутники, на яких визнали можливою наявність води.