Астрономы нашли в космосе немало планет-гигантов на удаленных орбитах, гораздо более широких, чем гигантов Солнечной системы. Например, в системе HR 8799 есть четыре гиганта на расстоянии от 20 до 70 астрономических единиц от звезды (астрономическая единица — среднее расстояние от Земли до Солнца). Для сравнения, Нептун «летает» в 30 астрономических единицах от центра Солнечной системы. Причем, вероятно, таких удаленных гигантов гораздо больше, но нашим инструментам сложно «поймать» их из-за удаленности и тусклости.
Считается, что планеты вырастают из крупиц материи протопланетного диска, а затем набирают газовую оболочку из более легких элементов. В среднем протопланетные диски удерживаются в течение 10 миллионов лет после образования светила и потом рассеиваются. Этого времени должно хватать на образование массивных планет вблизи звезды, но не вдали от нее.
Альтернативный механизм образования планет — распад протопланетного диска на более насыщенные веществом области из-за внутренних гравитационных нестабильностей. Собственные силы притяжения в этих областях подталкивают материю к образованию «комков», из которых потом может вырасти ядро планеты. Один из самых явных признаков гравитационной нестабильности в диске — наличие спиральных рукавов.
Проблема в том, что спиральные рукава в протопланетных дисках могут возникать и по другим причинам. В частности, из-за уже сформировавшейся планеты или пролетающей рядом звезды-компаньона. «Рукав» может даже оказаться оптической иллюзией из-за тени, отброшенной внутренней областью диска.
По расчетам, отличить одни спирали от других можно по их движению, но на практике астрономам не удавалось найти спираль, которая указывала бы на собственную гравитационную нестабильность в диске. Наконец, им повезло. Об открытии ученые рассказали в статье для журнала Nature Astronomy.
Объектом наблюдений стал протопланетный диск у звезды IM Волка в 517 световых годах от Земли. В 2018 году исследователи разглядели в диске спиральные рукава. Дальнейшие наблюдения показали, что на диск не падает тень, значит, рукава образованы либо каким-то телом, либо гравитационной нестабильностью в диске.
Авторы нового исследования изучали данные наблюдений, собранные радиообсерваторией ALMA на протяжении семи лет. Ученые показали, что спиральные рукава IM Волка движутся так, как должен двигаться диск на их орбите: чем дальше от звезды, тем медленнее. Если бы их образовала сформировавшаяся планета или пролетающая звезда, они следовали бы движению этого тела со скоростью, характерной для его орбиты. Значит, спиральные рукава в диске IM Волка сформировались сами собой.
Открытие добавляет веса гипотезам о формировании планет-гигантов вдали от звезды. Ученые продолжат наблюдать за IM Волка. Авторы новой работы назвали систему «отличной лабораторией для изучения протопланетных дисков и формирования планет». Возможно, им удастся засечь зачатки гигантской планеты в толще одного из рукавов.