Довгий час вважалося, що планети — явище відносно пізнє у космічній історії. Щоб зʼявилися кам'янисті світи, спершу мали народитися й вибухнути кілька поколінь зір, наситивши міжзоряний газ важкими елементами. За традиційними оцінками, пік планетоутворення у Всесвіті настав через кілька мільярдів років після Великого вибуху. Нове дослідження Едуарда Воробйова (Університет Інсбрука, Південний федеральний університет) та колег ставить під сумнів цю неквапливу картину: у локальних кишенях збагаченого газу планети могли почати формуватися набагато раніше.
Зорі без металів і їхній вибуховий фінал
Перші зорі Всесвіту, так звані зорі населення III, народилися з абсолютно первісного газу — водню, гелію та слідів літію. Жодних важчих елементів у цьому газі не було, а без них неможливо зібрати ані планету, ані життя. Утім саме такий склад газу сприяв утворенню надзвичайно масивних зір. Вони горіли швидко й закінчували існування парно-нестабільними наднові — вибухами, що повністю руйнують зорю-попередницю, викидаючи в навколишній простір понад 100 мас Сонця важких елементів.
Космологічне моделювання показує, що кисень із таких вибухів міг сформувати значну частку води всередині щільних ядер залишку наднової. Теоретично це створює умови для планетоутворення у водозбагачених дисках навколо зір наступного покоління — і то вже за 150–200 мільйонів років після Великого вибуху. Але чи витримує ця гіпотеза перевірку числовим моделюванням?
Як планетезималі зібралися у водному диску
Щоб перевірити, чи справді водозбагачені щільні ядра всередині залишків наднової населення III здатні сформувати планетезималі — будівельні блоки кам'янистих планет, — команда Воробйова провела чисельне моделювання колапсу одного такого газового ядра в протопланетний диск навколо протозорі.
Модель стартує з гравітаційного колапсу газової хмари масою в одну масу Сонця. Протозоря народжується через 24 тисячі років після початку колапсу. У міру того, як гравітація протозорі притягує довколишню речовину, навколо неї формується обертовий диск.
Відстежуючи еволюцію газу й пилу в диску, автори виявили: у межах 0,5–1,0 астрономічної одиниці від протозорі, що набрала масу 0,4 маси Сонця, за 40 тисяч років сформувалося кілька земних мас планетезималей. Моделювання не простежило еволюцію диска аж до появи готових планет — для цього потрібне значно складніше багатотіле обчислення і величезні обчислювальні ресурси. Але зібраної маси планетезималей достатньо, щоб у майбутньому утворити планету розміром від Марса до Землі.
Що це означає для пошуку найдавніших планет
Ключова відмінність зір населення III від їхніх нащадків — доля. Масивні первісні зорі жили недовго й гинули у грандіозних вибухах. А от маломасивні зорі, що народилися з водозбагачених залишків цих вибухів, і досі мали б спокійно горіти водень у своїх надрах — тобто існувати сьогодні. Такі стародавні, бідні на метали зорі відомі в гало Чумацького Шляху, і саме навколо них у майбутньому можуть відшукати найдавніші планети Всесвіту за допомогою екзопланетних оглядів.
Дослідження Воробйова та колег уперше показало: водозбагачені протопланетні диски з планетезималями могли з'явитися на мільярди років раніше, ніж вважалося досі. Це не доказ існування конкретних давніх планет — модель зупиняється на етапі планетезималей, а не готових світів. Але це вагомий аргумент на користь того, що планетоутворення почалося значно раніше, ніж дозволяв традиційний сценарій поступового збагачення Всесвіту металами.
