Астрофизики получили изображения протопланетных дисков с кольцами у TW Гидры

Группа астрофизиков, под руководством Шона Эндрюса, впервые получила в высоком разрешении изображения протопланетных дисков с кольцами у TW Гидры, а также описала их структуру. На сегодняшний день существуют детальные изображения только двух подобных дисков, поэтому данное исследование важно для понимания механизмов формирования планет. Статья ученых была опубликована в Astrophysical Journal Letters.

Звезда TW Гидры была выбрана для наблюдений по нескольким причинам. Во-первых, это самая близкая к нам звезда с плотным диском из газа и пыли. Во-вторых, так как плоскость его колец перпендикулярна лучу зрения с Земли, это позволяет наблюдать их полностью и неискаженными. В-третьих, несмотря на то, что сам диск вокруг TW Гидры был открыт еще в 2005 году, недавние наблюдения, в том числе на оптическом телескопе Subaru, предсказали наличие у него неоднородностей, которые представляют интерес для изучения.

Астрофизики изучали протопланетные диски с помощью массива телескопов ALMA. Для наблюдений, которые велись в течение трех дней в ноябре-декабре 2015 года, использовалось до 36 принимающих антенн, которые образовали единый радиотелескоп с базой, равной 14 км. Это позволило различать детали диска звезды TW Гидры размерами в 1 астрономическую единицу (среднее расстояние от Земли до Солнца), при ее удаленности от Земли на 176 световых лет. 

На полученных снимках хорошо видны яркие и темные концентрические кольца, тянущиеся на расстояние до 60 а.е.. Структуру диска можно разделить на две отдельные области: внутренний и внешний диски. Во внутреннем диске находится яркое кольцо, за которым идет темный зазор. Оба эти кольца очень тонкие и неразрешимы в телескоп, то есть определить температуру или плотность вещества, из которого они состоят, не представляется возможным. 

Во внешнем диске находятся три темные узкие зоны, которые разделены яркими кольцами яркостной температуры порядка 10-15 Кельвинов.

В своей статье ученые попытались объяснить, как именно формируются яркие и темные участки и что ведет к разделению изначально однородного диска на зоны. В результате, они предложили несколько рабочих моделей: влияние магнитного поля, сил химического или динамического происхождения. Скорее всего, они все, так или иначе, принимают участие в формировании кольцеобразной структуры.

В первом случае, магнитосфера звезды создает турбулентные потоки, которые влияют на движение частиц пыли в кольцах. Точные компьютерные симуляции подобного взаимодействия пока что невозможны из-за огромного числа частиц и сложности моделирования. Упрощенные симуляции воссоздают правдоподобные кольцевые структуры во внешнем диске на удалении до 40 а.е., однако неточно воспроизводят внутренний диск.

Химическая модель образования колец заключается в следующем: вращаясь, замерзшие частицы пыли и газа (например, монооксида углерода или молекулярного азота) трутся друг о друга, замедляются и приближаются к звезде. Их температура возрастает и они тают. Оказавшись в плотном кольце, куда не проникает свет и тепло от солнца, эти частицы снова замерзают. Лед и газ имеют разную оптическую прозрачность, и, таким образом, различные слои по-разному блокируют свет, идущий от звезды, что создает разную температуру в кольцах и, в свою очередь, ведет к еще большим перепадам плотности в диске.

Говоря о динамических причинах появления темных зон, ученые предполагают наличие массивных, но пока еще не обнаруженных тел, которые, двигаясь вокруг звезды, притягивают к себе мелкие частицы, расчищая зону своей орбиты.

Динамическая модель самая простая, но и самая спорная – наличие нескольких темных зон говорит о том, что там должно быть несколько планетезималей с массами, сравнимыми с Землей. Однако, в этом случае, они должны гравитационно взаимодействовать друг с другом и «подчищать» яркие пылевые диски, располагающиеся между ними (что мы видим на примере нашей Солнечной системы, где подобные пылевые диски не наблюдаются) – а этого не происходит.

Стоит отметить, что на данный момент ни одной подтвержденной экзопланеты вокруг TW Гидры не обнаружено. В 2007 году было опубликовано исследование немецких астрономов, утверждающих, что во внутреннем диске находится горячий Юпитер, однако спустя два года это открытие было поставлено под сомнение.

Звезде TW Гидры всего около 10 миллионов лет и наблюдения за плотным и сложным по структуре диском, в котором уже начались процессы расслоения частичек на кольца, очень важны. Через несколько миллионов лет там будут сформированы экзопланеты, которые, возможно, сформируют подобие нашей Солнечной системы (сама звезда лишь немногим легче нашего Солнца).

Марат Мусин