Диски з уламків (debris disks) — це пилові й кам'янисті рештки навколо зір, що залишилися після формування планетних систем. Вони складаються з астероїдів, комет і продуктів їхніх зіткнень і є своєрідними "археологічними шарами", за якими можна відновити історію та будову планетної системи. Одна з таких систем — γ Ophiuchi, зоря спектрального класу A1V на відстані 29,7 парсека від Сонця. Раніше телескоп Spitzer показав, що диск навколо неї має незвично великий радіальний розмір, а аналіз спектра енергетичного розподілу вказував на присутність теплого пилу ближче до зорі.

Що показав JWST

Нові спостереження виконали за допомогою інструмента MIRI на James Webb Space Telescope у двох діапазонах середнього інфрачервоного світла — 15 і 25,5 мкм. Отримане зображення виявило гладке, без чітких структур випромінювання, що простягається щонайменше до 250 астрономічних одиниць від зорі на довшій хвилі. Це майже у вісім разів більше за відстань від Сонця до Нептуна.

Для порівняння дослідники згадують результати JWST для інших відомих дисків — навколо Фомальгаута і Веги. Там середнє інфрачервоне випромінювання показало окремий внутрішній компонент із дрібних пилинок, організований у чіткі кільцеві структури. У γ Oph такої сегментації немає: замість окремих кілець спостерігається один суцільний, радіально широкий потік випромінювання.

Каскад зіткнень без меж

Поєднавши нові дані MIRI з попередніми спостереженнями на радіоінтерферометрі ALMA, автори дослідження дійшли висновку, що розподіл розмірів частинок пилу залишається однаковим на всій ширині диска. Це ключова ознака так званого стійкого (steady-state) каскаду зіткнень — процесу, коли більші тіла постійно розбиваються на дрібніші уламки при зіткненнях, підтримуючи стабільний баланс кількості частинок різних розмірів.

Якщо б спостережувана широчінь диска була лише оптичною ілюзією — тобто пил утворювався у вузькому поясі планетезималей, а потім розносився радіаційним тиском чи іншими силами на великі відстані, — розподіл розмірів частинок мав би змінюватися залежно від відстані до зорі. Натомість однорідність спектральних характеристик по всьому диску свідчить, що сам пояс планетезималей — тіл, від зіткнень яких утворюється пил, — є фізично широким. За оцінками авторів, він простягається від десятків астрономічних одиниць чи навіть ближче до зорі аж до понад 200 астрономічних одиниць.

Асиметрія та натяк на прихованого компаньйона

Окрім радіальної широти, зображення показало асиметрію диска. Її вдалося змоделювати як зміщення центра диска відносно зорі (стелоцентричний офсет) — це відповідає невеликому ексцентриситету орбіт частинок пилу, приблизно 0,03. Такий, хоч і невеликий, відхід від ідеально кругової форми зазвичай трактують як гравітаційний вплив компаньйона — планети або зорі-супутника, — що збурює орбіти частинок пилу.

За розрахунками авторів, подібну асиметрію могла б спричинити помірно ексцентрична планета-гігант масою до 10 мас Юпітера, що обертається за межами 10 а.о. від зорі. Альтернативний сценарій — більш ексцентричний компаньйон, аж до зоряної маси, розташований значно ближче — на відстані лише кількох астрономічних одиниць. Важлива деталь: жоден із цих варіантів не мав би залишати помітного радіального проміжку (gap) у диску, який можна було б розгледіти на зображеннях. Тобто планета чи компаньйон могли б залишатися непоміченими навіть при детальному вивченні структури диска — лише його загальна форма видає їхню присутність.

Результат важливий у ширшому контексті вивчення дисків з уламків: γ Ophiuchi доповнює невелику, але зростаючу вибірку систем, де JWST дозволяє напряму порівнювати структуру пилу різних розмірів на різних довжинах хвиль. Разом із контрастними прикладами Фомальгаута і Веги ця система показує, що архітектура поясів планетезималей може суттєво відрізнятися від зорі до зорі — від вузьких, чітко окреслених кілець до широких, безперервних утворень, що охоплюють сотні астрономічних одиниць простору навколо материнської зорі.