Симуляції показали зародження землеподібних світів набагато раніше

Як перші наднові підготували ґрунт для планет

Після Великого вибуху Всесвіт складався переважно з водню та гелію з домішками кількох легких елементів. Вуглець, кисень, залізо, кремній та інші складові кам’янистих планет утворилися пізніше всередині зір.

Найперші зорі, так звані зорі населення III (Pop III), ймовірно, були надзвичайно масивними. Коли частина з них завершувала своє життя, вони вибухали як наднові й розкидали щойно синтезовані елементи в навколишній простір. Так первісні хмари газу перетворювалися на матеріал, з якого вже могли формуватися більш хімічно складні зорі та планети.

Особливу роль у цьому процесі могли відігравати так звані наднові парної нестійкості. Вони передбачені для винятково масивних зір і здатні повністю зруйнувати зорю, не залишаючи після себе звичайного компактного об’єкта. Такі вибухи викидають колосальні обсяги важких елементів.

Моделі показують, що деякі Pop III зорі, які вибухнули як наднові парної нестійкості, могли викинути понад 100 сонячних мас важких елементів. Змішуючись із навколишнім газом, ці елементи різко підвищували його «металічність» — вміст елементів важчих за водень і гелій — до рівня, достатнього для утворення твердих пилових зерен, а згодом і планетного матеріалу.

Симуляція диска, де народжуються планети на світанку космосу

Команда дослідників під керівництвом науковців, серед яких Даніел Вейлен (Daniel Whalen) з Університету Портсмута, змоделювала подальший розвиток такого збагаченого газу.

Симуляції відстежували, як збагачена важкими елементами хмара стискається під дією гравітації й утворює порівняно маломасивну зорю, оточену обертовим протопланетним диском. За своєю структурою цей диск подібний до того, з якого колись сформувалися планети навколо молодого Сонця, але існував він на самому «світанку» Всесвіту.

У моделі новонароджена зоря мала масу близько 70% маси Сонця. Навколо неї в диску накопичувався пил та інший твердий матеріал, з якого почали формуватися планетезималі — тверді об’єкти, що є проміжною ланкою між пилом і повноцінними планетами.

Спершу дрібні пилові частинки злипаються, утворюючи дедалі більші тіла. Коли з’являються планетезималі, подальші зіткнення та гравітаційні взаємодії можуть призвести до формування планетних зародків, а згодом і повноцінних планет.

У симуляціях у діапазоні приблизно 0,5–1 астрономічної одиниці від зорі (тобто на відстанях, подібних до орбіти Землі) утворилося кілька земних мас планетезималей. Це означає, що вже тоді в диску було достатньо твердого матеріалу, щоб потенційно зібрати кілька кам’янистих планет.

Хоча планетезималі — лише початковий етап, а процес зростання планет може перериватися різними подіями, поява кількох земних мас твердого матеріалу так рано в історії Всесвіту свідчить, що дефіцит «сировини» не обов’язково затримував формування кам’янистих світів на мільярди років.

Вода в давньому протопланетному диску

Ще одна важлива риса змодельованого диска — його вміст води.

У попередніх роботах Вейлена та його колег показано, що вода могла утворюватися в щільних хмарах, збагачених речовиною перших наднових, вже через 100–200 мільйонів років після Великого вибуху. Деякі з цих хмар досягали концентрацій води лише в кілька разів нижчих, ніж у матеріалі, з якого сформувалася Сонячна система.

Нові симуляції продовжують цей сценарій до стадії формування планет. Диск навколо змодельованої зорі також містив значні запаси води — лише в кілька разів менше, ніж було доступно під час формування нашої планетної системи. Це означає, що планети, які могли б там виникнути, потенційно отримували воду подібним до Землі шляхом — з матеріалу, що залишився після побудови планет.

Планетезималі в моделі формувалися всередині так званої снігової лінії води — області диска, де температура зазвичай занадто висока для існування великої кількості водяного льоду. Тому ці перші тіла мали бути відносно сухими.

Однак це не виключає появи водянистих планет. Дослідники припускають, що згодом формувані планети могли отримати воду з матеріалу, який утворився далі від зорі, за сніговою лінією, подібно до сценаріїв, запропонованих для ранньої Землі.

Давні планетні системи можуть існувати й сьогодні

Особливо інтригуючими наслідки виглядають через те, що в моделі формується маломасивна зоря, а не короткоживучий гігант, який породив важкі елементи.

Зорі малої маси можуть жити надзвичайно довго. За оцінками дослідників, зоря з масою близько 40% від сонячної, що виникла в таку ранню епоху, могла б світити й досі. Це відкриває можливість, що залишки найдавніших етапів формування планет теоретично все ще існують у Чумацькому Шляху й можуть бути виявлені під час майбутніх пошуків дуже старих, бідних на метали зір.

Розрахунки також показують, що за сприятливих умов подібні водозбагачені протопланетні диски могли з’являтися вже через 50–100 мільйонів років після Великого вибуху.

Кам’янисті світи задовго до Землі — але чи були вони придатні для життя?

Якщо такі сценарії справді реалізовувалися, це радикально розширює часові рамки для еволюції планет. Земля сформувалася приблизно 4,5 мільярда років тому, тобто більш ніж через 9 мільярдів років після Великого вибуху. Кам’янистий світ, народжений на зорі космічної історії, випередив би Землю на багато мільярдів років.

Чи існували насправді такі планети, чи змогли вони пережити бурхливі умови раннього Всесвіту та чи розвивали коли-небудь придатні для життя середовища — наразі невідомо. Дослідження ґрунтується на чисельних симуляціях, а не на безпосередньому спостереженні давньої планетної системи, і ранній космос був дуже відмінним і часто жорстким середовищем.

Робота показує насамперед інше: фізичні умови та процеси, необхідні для початку складання кам’янистих планет, могли виникнути дивовижно рано, щойно перші зорі почали виробляти важкі елементи. Якщо це так, постає захопливе запитання: чи могли потенційно придатні для життя світи з’явитися набагато раніше в історії Всесвіту, ніж ми звикли думати?

Симуляції показали зародження землеподібних світів набагато раніше з’явилася спочатку на Цікавості.

cikavosti.com