Астрофизик Антон Бирюков о телескопе ALMA, протопланетном диске и образовании Солнечной системы
Что это: Композиционное изображение звезды Фомальгаут, полученное в двух диапазонах электромагнитного спектра: оптическом и миллиметровом. Оптическое изображение было получено на орбитальном телескопе им. Хаббла несколько лет назад. Оно показано синим цветом. А оранжевым показано то, что увидел радиоинтерферометр ALMA в наблюдениях в конце 2015 года. ALMA — это комплекс нескольких десятков двенадцатиметровых антенн, рассчитанных на наблюдения в миллиметровом диапазоне и располагающихся в чилийской пустыне Атакама в Южной Америке. ALMA расшифровывается как Atacama Large Millimeter Array.
Что мы видим на картинке? Пятно в центре — это не диск звезды, а то, как звезду видит ALMA из-за конечной разрешающей способности. Реальный размер Фомальгаута гораздо меньше. Черная область — экран, которым при наблюдениях на Хаббле закрывалась звезда, чтобы ее яркий свет, рассеянный внутри телескопа, не мешал бы исследовать ее окружение. Этот рассеянный свет виден как неоднородные «лучи», исходящие из центра изображения.
Кроме самой звезды видно также яркое кольцо (часто говорят «диск», debris disk— ‘диск из обломков’ или belt — ‘пояс’), оставшееся после формирования системы Фомальгаута. Это достаточно плотное кольцо, состоящее из маленьких осколков льда, камней, пыли и газа. Оно имеет диаметр около 140 астрономических единиц, что почти в 5 раз больше радиуса орбиты Нептуна в нашей Солнечной системе. На оригинальном снимке с Хаббла (без наложенного на него изображения ALMA) это кольцо также просматривается, но не так хорошо и подробно.
Как формируется остаточный диск? Все начинается с коллапса плотного межзвездного облака. Возникшее в нем возмущение плотности (случайно или под действием внешних причин) приводит к образованию чуть более плотного сгустка с чуть большей гравитацией. Его притяжение собирает ближайшее вещество, сгусток становится плотнее и тяжелее, его гравитация становится сильнее, и все повторяется вновь. Так в конце концов большое облако собирается в плотный компактный сгусток газа, внутри которого повышается температура и давление и начинаются термоядерные реакции. Так возникает звезда. То же вещество облака, которое не стало частью звезды, образует вокруг нее протопланетный диск.
Дело в том, что поскольку изначально облако немного вращается вокруг своей оси, то по направлению вдоль этой оси центробежная сила на вещество не действует, и коллапс протекает довольно эффективно. Но в поперечном направлении центробежная сила препятствует полному коллапсу, тем самым образуется дисковая структура. По тем же самым причинам наша Галактика тоже имеет форму диска. Из вещества протопланетного диска образуются планеты, а их взаимодействие с остаточным строительным материалом в конечном итоге может привести к образованию сравнительно плотного пояса из вещества на краю планетной системы.
Остаточный диск Фомальгаута был обнаружен еще двадцать лет назад. Но новые наблюдения ALMA позволили его исследовать с рекордной детализацией.
Чем это интересно для науки: Свечение диска — это тепловое излучение его вещества, нагретого светом Фомальгаута. Если вы посмотрите на кольцо, то увидите, что его верхний и нижний край светятся ярче, чем левый и правый. Это апоцентр и перицентр кольца, то есть самая удаленная и самая близкая к Фомальгауту точки. Повышенное свечение перицентра возникает из-за того, что частицы, расположенные ближе к звезде, нагреваются сильнее. А свечение апоцентра, заподозренное несколькими годами ранее и окончательно подтвержденное ALMA, возникает по весьма интересной причине. Дело в том, что остаточное кольцо Фомальгаута представляет собой рой частиц и осколков, которые двигаются вокруг звезды по законам небесной механики (законам Кеплера).
По этим законам все тела в апоцентре движутся немножко медленнее, чем когда они проходят ближайшую точку к звезде. Поскольку они движутся медленнее, то в этой области образуется своего рода пробка из частиц, то есть их плотность увеличивается, а скорость уменьшается. Из-за этого увеличивается и суммарное свечение всей области апоцентра по сравнению с соседними участками кольца. Измерение соотношения яркости апоцентра и перицентра позволяет восстановить распределение частиц по их размерам и способности поглощать свет центральной звезды, что и было сделано.
Кроме того, лет десять назад у Фомальгаута была обнаружена возможная планета — Фомальгаут b. Этот объект наблюдается как слабый точечный источник, двигающийся по вытянутой орбите вокруг Фомальгаута. Однако до сих пор есть сомнения в его физической природе: действительно ли это планета или, например, компактное облако пыли и газа? Этот объект также был уверенно обнаружен в ходе наблюдений на ALMA, что позволило оценить его массу (в предположении, что это все-таки облако), которая оказалась очень мала — в тысячу раз меньше массы Луны.
Зачем это знать: Фомальгаут как звезда довольно близок по своим характеристикам к Солнцу. При этом он более чем в 10 раз моложе. Поэтому, изучая эту планетную систему, мы как бы видим нашу, но такой, какой она была в эпоху так называемой «поздней тяжелой бомбардировки» (англ. Late Heavy Bombardment) — важном периоде в истории формировании Земли.
