Навколо молодої зорі PDS 70, розташованої на відстані близько 370 світлових років від Землі, обертаються дві планети-гіганти, що досі формуються, — PDS 70b і PDS 70c. Цю систему вже не раз називали унікальною природною лабораторією: тут уперше вдалося напряму спостерігати процес народження планет усередині протопланетного диска зорі. У 2019 році радіотелескоп ALMA додав ще одне відкриття — навколо PDS 70c зафіксували власний, навколопланетний диск, тобто мініатюрну версію того самого протопланетного диска, тільки в масштабі окремої планети, а не зорі.

Відтоді дослідники намагаються зрозуміти, що саме випромінює цей диск і як у ньому розподілена речовина. Нова робота команди під керівництвом Юхіто Шібаіке з Університету Каґошіма пропонує чіткішу відповідь.

Дві моделі одного диска

Питання, яке залишалося відкритим, звучить просто: чи справді сигнал, який фіксує ALMA, походить від пилу, і якщо так, то як цей пил розподілений у диску. Дослідники розглянули дві альтернативи.

Перша — модель "дрейфу". У ній частинки пилу поступово рухаються всередину диска, до самої планети, під дією аеродинамічного гальмування газом. Це звичайний процес для протопланетних дисків, і, за моделюванням, він цілком може відбуватися й у навколопланетних дисках. Наслідок такого дрейфу — більша частина диска лишається прозорою (оптично тонкою) для випромінювання, яке реєструє телескоп.

Друга — модель "кільця". Тут пил не розсіяний рівномірно, а сконцентрований у щільній, непрозорій (оптично товстій) смузі на певній відстані від планети. Утворення такого кільця цілком фізично можливе: воно могло виникнути через локальне підвищення густини газу, витоки речовини з диска чи інші процеси, які раніше моделювали для подібних систем.

Що показали розрахунки

Команда порівняла передбачення обох моделей із реальними спостереженнями ALMA на кількох довжинах хвиль — тобто зі спектральним розподілом енергії випромінювання диска.

Результат виявився доволі однозначним. Модель кільця природно відтворює спостережувані дані за цілком реалістичного набору параметрів — розмірів кільця, густини пилу, температури. Модель дрейфу натомість "працює" лише за умови нереалістично високого співвідношення пилу до газу в речовині, що потрапляє в навколопланетний диск із протопланетного диска зорі. Іншими словами, щоб пояснити спостережуваний спектральний нахил дрейфом, довелося б припустити концентрацію пилу, яка не узгоджується з тим, що відомо про подібні системи.

Це не остаточний доказ, але вагомий аргумент на користь того, що пил у диску PDS 70c дійсно зібраний у щільне кільце, а не розмазаний тонким шаром по всьому диску.

Пил чи вільні електрони

Дослідники чесно зазначають межу своєї роботи: вони не змогли повністю виключити альтернативне пояснення, за яким частину випромінювання дає не пил, а вільно-вільне випромінювання — сигнал від вільних електронів, що рухаються в іонізованому середовищі диска, огинаючи заряджені частинки. Форма спектра, яку дає цей механізм, надто схожа на ту, яку дає теплове випромінювання пилу, тож наявними даними відрізнити їх складно.

Ситуація має змінитися з введенням у дію нової радіоантенної решітки — ngVLA (next-generation Very Large Array), повноцінну наукову роботу якої очікують у середині 2030-х років. Її роздільна здатність дасть змогу безпосередньо визначити, де саме в диску розташований пил, і зняти невизначеність щодо джерела випромінювання.

Перспектива народження супутників

Найінтригуючий наслідок роботи стосується не самої планети, а можливого майбутнього її системи супутників. Якщо пил дійсно сконцентрований у щільному кільці, умови всередині нього — густина частинок, їхній розмір, динаміка — за оцінками авторів, ймовірно, задовольняють вимоги одразу двох механізмів, необхідних для формування твердих тіл: стрімінгової нестійкості та гравітаційної нестійкості. Обидва механізми описують, як окремі пилинки можуть злипатися й ущільнюватися у більші об'єкти — кам'янисті "цеглинки" майбутніх місяців.

Це поки не означає, що навколо PDS 70c вже формуються супутники. Але дослідники вказують, що фізичні умови для початку такого процесу цілком могли скластися. Якщо припущення підтвердяться майбутніми спостереженнями, система PDS 70 може стати не лише прикладом народження планет, а й місцем, де вперше вдасться простежити зародження екзомісяця — супутника планети за межами Сонячної системи.