Родильный дом для звезд и планет

Раньше мы не раз говорили о том, что все наблюдаемые астрономами звезды и планеты родились из газопылевых облаков, существовавших в нашей Галактике в далеком прошлом. А что сегодня? Неужели в космосе прекратилось образование новых объектов? Оказывается, не прекратилось. Конечно, сегодня в Млечном Пути гораздо меньше пыли и газа, чем 10 миллиардов лет назад, поскольку основная масса газопылевого вещества уже «потрачена» на звезды и их планетные системы. И все-таки до сих пор в спиральных рукавах Галактики сохранились «родильные дома» – области активного звездообразования.

К таким областям отнесены гигантские молекулярные облака (ГМО) – туманности, расположенные преимущественно внутри галактических рукавов и сформировавшиеся за счет оседания газа на плоскость. Вблизи ГМО в изобилии встречаются массивные голубые и бело-голубые звезды с очень высокой температурой поверхности. Это молодые светила, возрастом немногим более одного миллиона лет, которые совсем недавно покинули «родильный дом» и не успели далеко от него улететь.

Своим тяготением молодые звезды заставляют газ в ГМО еще более сгущаться, отчего в облаках возникают самостоятельно сжимающиеся газовые комки. Но и без влияния новорожденных звезд вещество любого гигантского облака полностью перешло бы в звезды за какой-нибудь миллион лет. Этого не происходит, потому что возникновению газовых комков ощутимо препятствуют магнитное поле Галактики, вихревые потоки горячего водорода и многие другие помехи.

Чтобы газовый комок сумел преодолеть эту «полосу препятствий» и породить звезду, его масса должна достигать хотя бы 1 % от солнечной при диаметре в 5 миллионов раз больше солнечного. Достигший нужных размеров и веса комок начинает довольно быстро (по космическим меркам) уплотняться, засасывая в себя пыль и газ из окружающего пространства. В результате вокруг зародыша возникает плотное газопылевое скопление, называемое аккреционным диском. Аккреционный диск – это «тарелка с манной кашей» для растущего малыша. Отсюда газопылевое вещество могучими потоками ниспадает на комок, постоянно подпитывая его.

Спустя полмиллиона лет внутри растущего комка образуется протозвезда – зародыш будущего светила. Протозвезда из-за малой массы не светится, но уже не может рассеяться как космическое облако. Она наращивает массу и постепенно разогревается изнутри. Охлаждению препятствует особая оболочка из мельчайших частиц – пылевой кокон, который помогает звезде хранить тепло. Едва температура протозвезды повысится до +2000 °C, как внутри объекта начинаются необратимые процессы превращения в настоящую звезду.

Пылевые коконы во множестве обнаружены в разных туманностях. Первый из них был открыт в 1967 году в Большой туманности Ориона. По размерам этот кокон в 1000 раз крупнее Солнца. Внутри него находится протозвезда с температурой излучения около +400 °C. Впоследствии в этой туманности удалось найти немало других типов газопылевых сгущений, например, так называемые горячие инфракрасные циррусы.

Дети не остаются всю свою жизнь в роддоме. Точно так же и звезды по мере взросления покидают туманности и занимают новое место в Галактике. Солнце, по всей видимости, тоже родилось в составе юных звездных ассоциаций спиральных рукавов, но затем, повзрослев, рассталось со своими ровесниками и поселилось особняком в секторе «взрослых» светил.

Наиболее старые звезды Галактики находятся в шаровых скоплениях, которые лежат за пределами галактического диска в области под названием «гало». Сейчас здесь почти нет газа и пыли, поскольку все вещество из гало осело на плоскость Галактики в ту далекую эпоху, когда Млечный Путь еще только приобретал дисковидную форму. Так что шаровые скопления звезд среди прочего населения вселенского «зверинца» являются прямо-таки ветхими стариками в возрасте от 10 миллиардов лет.

Наблюдать протозвезды гораздо сложнее, чем настоящие светила. И тем не менее астрономы сумели отыскать в туманностях немало признаков зарождения звезд. Например, скопление RCW38 ярко освещено двойной звездой IRS2, вокруг которой заметны многочисленные протозвезды. Это скопление является «родильным домом»; при этом яркая двойная звезда представляет собой только что «родившегося» и потому массивного и очень горячего «младенца». Соседствующие с IRS2 протозвезды пока не «родились», то есть их формирование еще далеко от завершения.

Иногда астроному гораздо проще наблюдать признаки скорого рождения звезды и по этим признакам угадывать ту «колыбель», где в настоящий момент находится протозвезда. Наиболее известным признаком звездообразования выступают особые уплотнения в туманностях под названием объектов Хербига – Аро (в честь двух современных астрономов: американца Джорджа Хербига и мексиканца Гильермо Аро).

Наличие таких объектов говорит о близком присутствии аккреционного диска. Он окружает протозвезды и молодые звезды в первые несколько сотен тысяч лет их существования. Газ внутри такого диска очень быстро обращается вокруг звезды и столь же быстро стекает на ее поверхность. Из-за этого в диске время от времени рождаются ударные волны, которые создают нечто вроде разогретых плазменных фонтанов. Такие фонтаны со сверхзвуковой скоростью «поливают» межзвездный газ, который в результате начинает светиться. Вот такие светящиеся участки туманностей, заполненные горячей плазмой, и называются объектами Хербига – Аро.

Аккреционный диск, «кормящий» протозвезду

Объект Хербига – Аро (под номером НН32) на фоне молодых звезд

Всего на сегодняшний день открыто свыше 400 таких объектов, хотя их общее число в Галактике может составлять более 150 тысяч. Чаще всего эти объекты не сильно удаляются от породившего их аккреционного диска, так что расстояние между протозвездой и объектом Хербига – Аро обычно составляет 1–2 световых года.

Планетные системы, в свою очередь, формируются из остатков аккреционного диска, окружающего протозвезду и юную звезду. Быстро раскрученный газ способен образовывать вокруг новорожденного светила маленькие сгустки. Эти сгустки движутся в одном направлении и лежат в одной плоскости – плоскости газопылевого диска. Их масса мала по сравнению со звездной, зато скорость обращения очень велика. Постепенно уплотняясь, такие сгустки превращаются в планеты.

Процессы формирования планет в Галактике не прекращаются. Ученые имеют возможность наблюдать за рождением планет вокруг некоторых звезд прямо сегодня. Протопланетные диски обнаружены вокруг Фомальгаута, AU Микроскопа, Денеболы, Эпсилона Эридана, беты Живописца и др.

Маленькое созвездие Живописца видно только на небе южного полушария Земли. Бета является вторым по блеску светилом этого созвездия. Будучи почти вдвое тяжелее Солнца, она относится к классу А и обладает в 9 раз большей светимостью. Звезда удалена от нас более чем на 63 световых года. Ее приблизительный возраст составляет 10–20 миллионов лет.

В середине 1980-х годов тщательные наблюдения за этой звездой с компьютерной обработкой фотографий помогли установить, что бета Живописца является источником слишком сильного теплового излучения, нетипичного для звезд ее класса. Астрономы предположили, что вокруг звезды имеется газопылевой диск, который нагревается под действием звездного излучения и таким образом создает дополнительный тепловой фон.

Позднейшие исследования показали, что бету Живописца окружают два газопылевых диска, находящихся под углом в 5° по отношению друг к другу. Поперечник каждого из дисков превосходит 100 астрономических единиц. Внутри дисков удалось обнаружить кольцевидные скопления плотного каменистого вещества. Возможно, перед нами зародыши планет или астероидные пояса.

Протопланетный диск вокруг звезды бета Живописца

В 2009 году было доказано, что сквозь непроглядную пыль аккреционного диска продвигается массивное тело, в котором удалось опознать экзопланету. В течение ближайших 10 лет условия для наблюдения объекта наиболее благоприятны, так что астрономы рассчитывают получить много ценной информации о самой молодой из известных планет Галактики. Пока в распоряжении науки нет никаких точных данных о теле HD39060b, как назвали этот объект. На текущий момент масса планеты оценивается примерно в 9 масс Юпитера, а расстояние от планеты до беты Живописца принимается равным 8 астрономическим единицам. Однако эти цифры весьма приблизительны. Более точные результаты удастся получить лишь после 2020 года.

Судя по всему, планета HD39060b произвела «добросовестную» очистку своей орбиты от пыли и газа, отчего внутри диска образовалась как бы чистая дорожка шириной в 10 астрономических единиц. Однако некоторые другие особенности строения дисков беты Живописца заставляют усомниться в том, что и здесь сказывается тяготение HD39060b. Астрономы склонны предполагать, что будущие наблюдения позволят выявить в этой области две более близкие небольшие планеты: у одной ожидаемая масса примерно равна массе Юпитера, а вторая планета в два раза легче нашего газового гиганта.

Другая интересная звезда, обладающая аккреционным диском, – Вега, альфа Лиры, (Вега в переводе с арабского означает «падающий орел»). Звезда относится к классу А. Она лежит на расстоянии 25 световых лет от Солнца и признается ярчайшей из самых близких к нам звезд.

Нашему Солнцу насчитывается не менее 5 миллиардов лет. По сравнению с ним Вега невероятно молода, поскольку она образовалась «всего» около 400 миллионов лет назад, когда на Земле первые растения и скорпионы уже робко осваивали сушу. Неудивительно, что образование планетной системы вокруг этой звезды еще не завершено.

Альфу Лиры окружает широкое газопылевое кольцо радиусом около 120 астрономических единиц. Внутри этого кольца имеется просторная область с радиусом около 80 астрономических единиц, свободная от пыли и газа. В этом чистом от космического мусора пространстве и находится сама Вега. Судя по всему, поблизости от звезды имеются и другие туманные скопления.

Обволакивающая звезду туманность считается протопланетным диском. Вычисления показали, что здесь могут присутствовать несколько массивных экзопланет. Первоначально астрономы предположили, что столкнулись с коричневым карликом, по весу в 12 раз превосходящим Юпитер. Но сейчас склонны считать, что, скорее всего, пылевое скопление скрывает за собой несколько молодых планет или зародышей планет весом около пяти масс Юпитера.

Означает ли сказанное, что у каждой звезды должна быть планетная система? Вовсе нет. Очень многие звезды теряют свои пылевые запасы, так и не успев обзавестись планетным семейством. Не исключено, что вокруг некоторых одиноких звезд обращаются лишь астероиды.

Но известны и случаи прямо противоположные. Чтобы сложилась планетная система, требуются медлительный, неповоротливый сгусток протозвезды и проворный газопылевой диск. Между тем довольно часто случается так, что диска не возникает. Первичная туманность сама себя раскручивает, словно ребенок на качелях, и в результате принимает форму колечка, по обе стороны которого сидят два не сильно отличающихся по величине газопылевых утолщения. Утолщения растут «не по дням, а по часам». В результате за 50 тысяч лет из этих сгустков возникают два звездных зародыша, крутящихся вокруг общего центра масс и активно поедающих вещество вокруг себя.

Что же появляется в конечном итоге? Появляется один из самых причудливых и вместе с тем один из самых многочисленных объектов Галактики – двойная звезда.