У недозвёзд нашлись планетные системы

Астрономы нашли в созвездии Тельца две самые молодые планетные системы. Они окружают объекты, которые пока и сами ещё не успели сформироваться. И, похоже, недавно две планеты одной из этих систем столкнулись.

Астрономы из США, Мексики и Венесуэлы нашли две звезды, которые, не успев ещё полностью сформироваться, уже обзавелись целыми семьями планет. Это самые молодые планетные системы, известные к настоящему времени.

Объекты UX Tauri A и LkCa 15 расположены примерно в 450 световых годах от Солнечной системы в направлении созвездия Тельца. Их относят к классу протозвёзд, которыми богато это созвездие и его окрестности; возраст данной области звездообразования – около миллиона лет. Протозвёзды, как и подсказывает их название, – предшественники нормальных звёзд, у которых уже есть обособленное физическое тело, однако природа пока не вдохнула в них жизнь – ядерные реакции в центре таких звёзд начнутся позднее.


Рождение звёзд

По современным представлениям, формирование звезды, начинается с медленного сжатия наиболее плотных областей облаков молекулярного водорода с примесью других газов и пыли. Пыли в этой смеси немного, но именно она позволяет газу эффективно охлаждаться, играя ключевую роль в звездообразовании: образовываться из горячего газа звёзды не могут.

В процессе сжатия облако, как правило, фрагментирует на отдельные части, каждая из которых позднее родит звезду или кратную звёздную систему. При сжатии каждого фрагмента выделяется потенциальная гравитационная энергия, которая частично излучается, а частично идёт на нагрев формирующегося в центре облака ядра. Молодые предзвёздные объекты на этом этапе называют протозвёздами. Иногда его разделяют на две стадии - протозвезды и звезды типа T Тельца.

Наличие углового момента вращения относительно этого центра приводит к формированию протозвёздного диска, за счёт которого могут значительно увеличиться темпы аккреции вещества на центральный объект. В какой-то момент температура и давление в центре становятся достаточными для запуска ядерной реакции синтеза гелия из дейтерия. Резкое увеличение выделения энергии значительно замедляет сжатие центрального объекта.

Позднее температура и плотность в центре оказываются достаточными для запуска реакции синтеза гелия непосредственно из водорода – весь дейтерий к тому моменту в центре уже израсходован. Запуск ядерной реакции превращения водорода в гелий знаменует рождение новой звезды.

Однако эти «недозвёзды» уже ярко светятся, лишь немного уступая в светимости тому объекту, который появится на их месте через несколько миллионов лет. Энергию даёт сжатие газопылевой смеси, из которой рождается звезда – она всё ещё примерно в полтора раза больше своего нормального размера. Медленно оседая к центру под действием собственной гравитации, вещество нагревается и начинает ярко светить. Кроме того, на поверхность объекта всё ещё выпадает вещество, оставшееся в том газопылевом диске, из которого сформировалась звезда.

Свет протозвезды нагревает и этот диск, и он сам начинает светиться. Правда, с удалением от звезды температура пыли (а именно она вносит наибольший вклад в излучение) падает и свечение становится всё более тусклым и красным. Говоря физическим языком, максимум в спектре излучения пыли смещается в длинноволновую область: если максимум излучения поверхности протозвезды находится в жёлтой части спектра, то максимум в спектре пыли – в красной и инфракрасной (ИК) его областях.

Поскольку температура падает с удалением от центра, на более длинных волнах светятся по большей части внешние края диска, на более коротких – внутренние, а в середине ИК-области наибольший вклад дают промежуточные слои. В итоге получается более или менее плавный спектр. Учёные под руководством Нурии Кальвет и её аспирантки Катерины Эспайльят из Мичиганского университета изучили спектры протозвёзд из созвездия Тельца, полученные инфракрасным космическим телескопом имени Лаймана Спитцера.

Спектры некоторых из этих объектов были совсем не плавными, в них имелись провалы.

Космический телескоп имени Спитцера

Предназначен для астрономических наблюдений в инфракрасном (ИК) диапазоне спектра в лучах с длинами волн примерно от 2 до 200 микрон. Он состоит из телескопа с диаметром главного зеркала 85 см и трёх непрерывно охлаждаемых научных инструментов. Чтобы избежать перегрева инструментов, температура которых должна поддерживаться вблизи абсолютного нуля, телескоп защищён специальной панелью. На ней также расположены солнечные батареи.

Научные инструменты телескопа имени Спитцера – это набор из четырёх ПЗС-матриц (IRAC) с разрешением 256 на 256 пикселей каждая, предназначенных для одновременной съёмки в четырёх диапазонах инфракрасного излучения, инфракрасный спектрограф IRS, способный снимать спектры в диапазоне от 5,3 до 40 микрон и многополосный координатно-чувствительный фотометр, работающий в диапазоне от 24 до 160 микрон.

Телескоп назван в честь выдающегося американского астрофизика Лаймана Спитцера, большую часть жизни проработавшего в Принстоне и бывшего одним из главных инициаторов создания Космического телескопа имени Эдвина Хаббла.

Такие объекты обнаруживались и прежде, и соответствующие протозвёздные диски уже выделены в специальный класс – так называемые переходные, или транзиционные, диски. Здесь есть излучение внешнего края диска в далёкой инфракрасной области, но отсутствует заметный вклад внутренних слоёв в ближнем ИК-диапазоне. А это значит, что диск обрывается очень далеко от звезды, на радиусе в десятки астрономических единиц – расстояний от Земли до Солнца.

Причин такого обрыва может быть две. Во-первых, яркое излучение центрального объекта может приводить просто к испарению пыли – пылинки нагреваются и разрушаются, а отдельные молекулы и атомы излучение просто «выметает» за границы системы. Вторая возможная причина более интересна: собирать на себя пыль могут крупные тела – например, планеты, обращающие вокруг рождающейся звезды.

Похоже, что в случаях с UX Tau A и LkCa 15 мы имеем дело именно со вторым вариантом. Причём не просто планетой, а целой планетной системой.

Дело в том, что внешний диск здесь обрывается на достаточно большом расстоянии от протозвезды – около 50 астрономических единиц, или 7,5 миллиарда километров. Чтобы испарить так много пыли, требуется очень мощное излучение или долгое время. При этом пыль в протозвёздном диске не прозрачна для излучения (астрономы говорят, что мы имеем дело с «оптически толстым» диском), и внутренние слои защищают от испарения более внешние. Испарение идёт изнутри – сначала пыль исчезает из внутренних слоёв, затем из внешних.

Но в спектрах UX Tau A и LkCa 15 астрономы заметили следы внутреннего диска размером в десятки миллионов километров. Единственным объяснением обрыву в диске остаются планеты, и, вероятно, немалое их число, поскольку расчищенная от пыли зона простирается от десятков миллионов до миллиардов километров. Самих планет, разумеется, пока не видно, однако «существование планет является наиболее правдоподобной теорией, способной объяснить (наблюдаемую) структуру» диска, уверена Катерина Эспайльят.

Прежде удавалось найти лишь одну планету, расчистившую небольшое кольцо в газопылевом диске, – речь идёт об объекте CoKu Tau/4, результаты исследования которого были представлены в 2004 году.

Созвездие Тельца и его окрестности вообще богаты молодыми звёздами, и у многих из них должны быть молодые планетные системы. В частности, совсем недавно астрономы объявили об обнаружении следов катастрофического столкновения двух «планетных эмбрионов», обращающихся вокруг одной из звёзд расположенного в Тельце скопления Плеяды.

Не исключено, что столкновения между планетами имели место и в случае UX Tau A.

Силикаты - обширный класс природных минералов, основу которого составляет структурная единица [SiO₄]₄-. Каждый атом кремния в силикатных материалах окружен тетраэдрическим окружением из атомов кислорода. Длины и прочность связей в внутри и между тетраэдрами [SiO₄]₄- определяют многообразие структурных типов кристалличеких силикатов.

Так, тетраэдры могут быть объединены в цепочки, ленты или трехмерные каркасные структуры. В состав природных силикатов как правило входит большое количество других элементов – железо, алюминий, магний, кальций и другие. Соотношение между этими компонентами может варьироваться в широких пределах и как правило приводит к довольно быстрой реорганизации струкутрно-упорядоченных силикатов в аморфные массы.

В спектре внешних слоёв газопылевого диска этого объекта астрономы нашли следы кристаллических силикатов. Теории химического состава протозвёздных дисков сталкиваются с большими трудностями при объяснении образования этого вещества. Оно может появиться вблизи звезды, но перенос его на миллиарды километров не представляется возможным. Скорее всего, вещество образовалось на месте, но, как именно, пока никто не знает.

Одним из вариантов является столкновение двух массивных планет, подсказал авторам Скотт Кеньон из Гарвард-Смитсонианского астрофизического центра. Видимо, тех же самых планет, что очистили внутренние области системы от пыли.

Работа Эспайльят и её коллег опубликована в декабрьском выпуске Astrophysical Journal Letters.

© gazeta.ru / 2007-11-30