Оболочка протозвезды поливает дождём будущие планеты

Бедные астрономы, они постоянно пребывают в поисках водички! Но вовсе не оттого, что хочется попить — просто в науке сложилось мнение, что вода есть основа живой материи. Вот учёные и ищут с невероятной настойчивостью следы H₂O везде, где только можно и не можно. И вот, в одной звёздной системе на них обрушилось сразу пять земных океанов! Мечта виндсёрфера — иначе и не скажешь…

Звёздные объекты класса 0 (ноль) — не самые частые герои астрономических новостей.

 

 

Это — протозвёзды, структуры, возникшие в результате сжатия молекулярного облака водорода, которые в будущем вполне могут трансформироваться в полноценные звёзды. Это — самый первый этап звёздной эволюции.

Подобные объекты, хоть и сильно интересуют астрономов, но регистрируются не очень часто. Тут ничего странного: максимальная температура протозвёзд в этом состоянии составляет 70 кельвинов (холоднейший коричневый карлик — настоящая духовка по сравнению с ними), а следовательно, они практически не дают о себе знать. Таких объектов во Вселенной немало, однако из-за слабого излучения их находят с большим трудом.

Особенно проблематичным их поиск делает газопылевая оболочка, в которую закутана будущая звезда. К тому же, этот покров "закутывает" звезду почти со всех сторон, ведь он имеет почти сферическую конфигурацию.

Инфракрасный снимок "звёздного детского сада" под названием NGC 1333 — региона, где происходит звёздообразование. Одной из будущих звёзд из этого питомника и посвящён наш материал. К слову, дело происходит на расстоянии в тысячу световых лет в созвездии Персея (фото NASA/JPL-Caltech/R. A. Gutermuth/Harvard-Smithsonian CfA). В более высоком разрешении (2100×2705) без вставок и подписей этот снимок доступен тут.

Такая ситуация объясняется тем, что со времени зарождения протозвезды он "не успел" заметно испытать на себе действие гравитации, ибо возраст объектов класса 0 — не более 10 тысяч лет. А это не так уж много даже в рамках земной биологической эволюции, не то что звёздной.

Но внутри этого "кокона" уже идут некоторые процессы, в частности, может начаться формирование протопланетного диска. Это происходит, например, в системе объекта класса 0 под наименованием NGC 1333-IRAS 4B, за изучение которого взялся Дэн Уотсон (Dan M. Watson), профессор физики и астрономии из университета Рочестера (University of Rochester).

Уотсона и его коллег заинтересовало то, что эта система, если верить некоторым предыдущим исследованиям, нагрета внутри неравномерно, и он решил исследовать её с помощью инфракрасного телескопа Spitzer.

Вверху — изображение спектра, полученное телескопом Spitzer в результате наблюдений. Внизу — полученное в результате моделирования процессов в NGC 1333-IRAS 4B и основанное на предположении, что в системе есть вода. Сопоставив эти графики, учёные смогли выяснить ряд подробностей о том, что происходит вокруг протозвезды. В частности узнать о падении воды на диск, о том, что при этом она разогревается очень быстро, а также о том, что процесс её движения к диску происходит со сверхзвуковой скоростью (иллюстрация NASA/JPL-Caltech/D. Watson/Univ. of Rochester).

Анализируя инфракрасный спектр системы в диапазоне волн 20-37 микрометров, учёные заметили в нём нечто интересное. Они обнаружили, что, согласно полученным данным, вокруг протозвезды должна содержаться вода, причём в чрезвычайно плотном газообразном состоянии.

Оценив объём этой воды, исследователи снова удивились: оказалось, что её масса более чем в пять раз превышает массу земного океана! И это в то время, когда из-за нехватки влаги мы все того и гляди превратимся в вегетарианцев!

Тщательная обработка данных позволила узнать некоторые особенности строения диска. Вычисления показали, что его радиус несколько больше расстояния от Земли до Плутона. Его температура составляет около 170 кельвинов, то есть минус сто с лишним градусов по Цельсию — холодновато!

А что же там происходит с водой? Команда Уотсона смоделировала её поведение — результаты получились грандиозными.

Примерно так выглядит модель изученной протопланетной системы вокруг протозвезды. Максимальный разогрев воды происходит в области её столкновения с диском (иллюстрация Dan M. Watson et al., NASA/JPL-Caltech/T. Pyle/SSC).

Как сказано в статье этой исследовательской группы (опубликована в Nature), вода в материале, составляющем оболочку, довольно холодная и находится в твёрдом состоянии. Подвергаясь действию гравитации, эти ледяные частицы движутся по направлению к уже достаточно массивному (хотя, очевидно, пока ещё довольно однородному) протопланетному диску.

По мере их "выделения" из оболочки, ледяные частицы испытывают трение из-за прохождения через газопылевую смесь и, естественно, нагреваются. Чем ближе к диску, тем мощнее сила притяжения, а значит, и быстрее движется вода.

В итоге получается, что по пути вода довольно быстро тает и, разогреваясь всё сильнее, переходит в газообразное состояние. Во время этого процесса, разумеется, усиливается излучение в инфракрасном диапазоне, которое Spitzer и засёк. Вся эта картина очень похожа на дождь, причём из обычной воды, а не из какого-нибудь метана, но в масштабах не планеты, а целой планетарной системы.

Добавим, что некоторой причудливости этой модели добавляет то, что этот дождь состоит не из привычных капель, а из горячего водяного пара, падающего на диск. Интересно, что газ этот несётся, со сверхзвуковой скоростью. Сверхзвуковой дождь! Впечатляет не меньше железных ливней коричневых карликов.

	Доктор Дэн Уотсон: "Мы впервые можем наблюдать, как вода перемещается в район, где в будущем могут начать формироваться планеты" (фото с сайта pas.rochester.edu).

Примечательно, что "пункт назначения" воды — протопланетный диск — зона, где через какое-то время, вероятно, начнут формироваться планеты. А если вспомнить о том, что не так давно астрономы обнаружили в протопланетных дисках более "взрослых" звёздных систем органические молекулы, то это в очередной раз наталкивает на соображения о том, что во Вселенной имеется не так уж мало возможностей для развития жизни…

Не факт, конечно, что вода там когда-нибудь поспособствует возникновению жизни или разума (потешим, так и быть, свой антропоцентризм). Да и нет стопроцентной уверенности насчёт того, что там обязательно возникнут планеты. Однако рано или поздно основная часть воды в этом протопланетном диске обязательно замёрзнет и станет основой, как минимум, для возникновения комет.

Сведения об этой системе, несомненно, предоставляют ценнейшую информацию о самых первых ступенях развития планетарных систем.

Есть, впрочем, кое-какая трудность. В ходе своей работы Уотсон проанализировал ещё 29 объектов класса 0, и не обнаружил вокруг них никакой воды. Однако, по мнению учёного и его сотрудников, это отнюдь не свидетельствует об аномальности NGC 1333-IRAS 4B.

Согласно одному объяснению, нам как наблюдателям просто повезло. Протопланетное вещество вокруг любой звезды, концентрируясь, начинает стягиваться к экваториальной области системы. В итоге его становится меньше в полярных районах. А мы можем видеть NGC 1333-IRAS 4B как раз с полюса, поэтому и получилось добыть более-менее внятные спектроскопические данные из её "внутренностей".

По другой гипотезе, нам опять-таки повезло. Изучая эту звезду и её среду, мы, по предположению Уотсона, можем являться свидетелями некой чрезвычайно короткой стадии развития протопланетного диска.

Да, может быть и так. Но у нас, в системе Солнечной, она в любом случае уже давно прошла.

Статья получена: Membrana.ru