Дмитрий Вибе: Обломки творения

В последние дни звездой астрономических новостей стал Фомальгаут: пылевым завитушкам вокруг него посвящена первая научная публикация по наблюдениям на телескопе ALMA.

Планетные системы состоят не только и не столько из планет. Солнечная система, например, заполнена пылью, кометами, астероидами - очень разнообразным веществом, которое, как считается, по каким-то причинам не вошло в состав планет и сохранилось в Солнечной системе на правах строительного мусора. Есть многочисленные основания полагать, что наша система не является исключением среди прочих звёзд. Подобные остатки от процесса сотворения планет окружают многие светила, причём масса этих остатков зачастую существенно превышает массу межпланетного вещества в Солнечной системе.

Конечно, поначалу планет в системе вообще нет, а есть околозвёздный газо-пылевой диск, которому только предстоит стать планетной системой. Такие диски наблюдаются в изобилии, но вот беда: хоть мы и называем их протопланетными, никто пока что не видел, чтобы в таком диске рождалась планетная система. Есть надежда, что ALMA в полном варианте позволит наблюдать как сами формирующиеся планеты, так и искажения структуры протопланетных дисков, вызванные тяготением планетных зародышей. Пока же приходится искать иные пути.

Перспективными в этом отношении выглядят так называемые обломочные (или осколочные) пылевые диски, которые образуются на завершающем этапе формирования планетной системы. Вообще образование планет начинается с пыли и заканчивается ею, но пыль эта очень и очень разная. Исходная пыль - межзвёздная. В протопланетном диске она коагулирует, постепенно превращаясь во всё более крупные тела (планетезимали), некоторые из которых объединяются в большие планеты.

В какой-то момент несколько самых крупных молодых планет начинают настолько сильно перемешивать прочие тела диска своим тяготением, что процесс дальнейшего слияния планетезималей заканчивается. При взаимных столкновениях они уже не объединяются, а разрушаются. Дробление планетезималей снова заселяет диск мелкой пылью, и в это время он как раз и становится обломочным. С наблюдательной точки зрения обломочный диск отличается от протопланетного почти полным отсутствием газа (он либо вошёл в состав планет-гигантов, либо выметен из системы) и более-менее солидным возрастом звезды (протопланетные диски живут не более нескольких миллионов лет).

Обломочные диски гораздо лучше протопланетных подходят для поиска планет. Во-первых, такой диск гарантированно (если мы верно представляем их природу) сосуществует с планетной системой, поскольку появляется из-за наличия планет. Во-вторых, он достаточно плотен, чтобы его можно было наблюдать существующими инструментами. В-третьих, он излучает в инфракрасном (ИК) и радиодиапазоне, где наблюдениям не мешает излучение центральной звезды.

Первые обломочные диски были обнаружены в начале 1980-х годов при помощи космического инфракрасного телескопа IRAS. Сейчас известно, что подобными структурами окружено около 15 процентов близких звёзд главной последовательности. В их число входят такие знаменитые объекты, как Вега, Фомальгаут, тау Кита, бета Живописца. Интересно, что обломочные диски встречаются у звёзд очень разных возрастов. Тау Кита, например, даже немного старше Солнца. Такое долгожительство также указывает на осколочную природу. Пылинки быстро падают на звезду, поэтому, чтобы сохранить диск на протяжении сотен миллионов и даже миллиардов лет, требуется, чтобы запасы пыли постоянно пополнялись.

Около пары десятков обломочных дисков достаточно близки к Солнцу, чтобы мы могли не просто констатировать их наличие, но и изучать структуру. Структура оказывается замысловатой, со сгустками, спиральными ветвями, изгибами. Например, диск у Фомальгаута - и не диск вовсе, а кольцо, причём смещённое: центр кольца не совпадает со звездой. Диск беты Живописца мы видим с ребра, поэтому говорить о его структуре сложнее, зато сбоку видно, что пылевых дисков у этой звезды два. Кроме основного внешнего есть ещё маленький внутренний диск, наклонённый по отношению к внешнему под углом в несколько градусов.

Для пылевых дисков в планетных системах разнообразие форм неудивительно, поскольку тяготение планет не даёт ни пылинкам, ни рождающим их крупным телам выстраиваться в гладкую симметричную систему. Больше того, по характеру возмущений можно пытаться оценить параметры планеты и её орбиты, а затем - при особом везении - подтвердить догадки при помощи прямых наблюдений. К сожалению, прямые наблюдения внесолнечных планет крайне сложны. Поэтому они по сей день остаются штучным товаром и, скорее, усложняют ситуацию, чем проясняют её.

Например, в 2005 году Пол Калас с коллегами при помощи Космического телескопа им. Хаббла построили подробную карту пылевого кольца у Фомальгаута, а в 2008 году объявили о том, что им удалось (также на "Хаббле") сфотографировать планету, которая определяет ключевые параметры кольца - сдвиг относительно звезды и очень резкий внутренний край. Казалось бы, всё выстраивается в единую картину. К тому же в 2011 году авторы сообщили, что им снова удалось наблюдать Фомальгаут b, причём в позиции, которая в пределах ошибок согласуется с его орбитальным движением. Однако попытки обнаружить планету в ИК-диапазоне, где она должна быть видна гораздо лучше, чем в оптике, успехом не увенчались. Правда, это противоречие, возможно, разрешили новые наблюдения на ALMA: карта кольца, построенная с интерферометрической точностью, более согласуется с наличием двух маленьких планет, чем с наличием одной крупной, так что, может быть, в ИК-диапазоне действительно ничего не должно быть видно.

Не яснее обстоят дела и с планетой у беты Живописца. Её тоже сначала заподозрили по искажённой форме пылевого диска. Предполагалось, что планета вращается под углом к основному диску, вырывает из него часть вещества и тем самым выстраивает вдоль своей орбиты внутренний наклонный диск. Прямые наблюдения планеты были проведены осенью 2009 года. Измеренные масса и радиус её орбиты изначально вполне согласовывались с предположением о её связи с наклонным диском.

Однако в декабре 2011 года появилась информация о том, что плоскость орбиты 2beta; Pic b совпадает с плоскостью основного диска и потому для появления наклонного диска нужно искать какое-то другое объяснение. Причём предположение о ещё одной планете в системе проблему не решает: планета b не лежит в плоскости наклонного диска, но всё-таки слишком близка к нему, чтобы позволить существовать в этой же области ещё одной планете.

Совсем-совсем недавно опубликована новая карта обломочного диска Веги. На рубеже 1990-х и 2000-х годов в нём, по наблюдениям на нескольких инструментах, была как будто обнаружена клочковатая структура, согласующаяся с наличием планеты, подобной Нептуну. Теперь же возникает подозрение, что эта кажущаяся структура связана лишь с недостаточной точностью прежних наблюдений. По новым данным, полученным и на "Спитцере", и на "Гершеле", и на наземных радиотелескопах (в том числе интерферометрах), диск Веги предстаёт гладким симметричным образованием, не несущим признаков наличия каких-либо массивных тел. Но если нет планет, откуда вообще взялся обломочный диск? Есть о чём подумать наступающими летними вечерами, когда Вега будет украшать собою темнеющий небосвод.

Наконец, есть ещё проблема размеров обломочных дисков. Взять, к примеру, то же кольцо Фомальгаута. Его радиус - 130 астрономических единиц. Его отождествляют обычно с поясом Койпера в Солнечной системе, но наш пояс Койпера значительно уступает кольцу Фомальгаута в размерах, по сути, оканчиваясь на 50 а.е., да и по массе. В сотне астрономических единиц от Солнца начинается уже Mysterious Beyond - область, которую в текстах про "Вояджеры" смело именуют межзвёздным пространством. А в системе Фомальгаута, да и не только в ней, на этих и больших расстояниях кипит жизнь, летают планеты, крутятся пылевые пояса...

Это не значит, конечно, что таких каменно-пылевых дисков, как у Солнца, больше во Вселенной нет. Мы их просто не видим, поскольку наша аппаратура пока показывает только большие объекты. Но лёд тронулся! Интерес к молодым планетным системам велик, и неслучайно именно обломочный диск стал предметом первой научной публикации по наблюдениям на телескопе ALMA.