Ученые уже давно знают, что звезды так называемой промежуточной массы, то есть тяжелее Солнца, но еще далеко не супергиганты, чрезвычайно быстро накапливают массу на стадии формирования. И теперь им удалось рассмотреть этот процесс во всех подробностях.
Как формируются планеты в протопланетном диске?
Звезды образуются в массивных облаках газа, называемых молекулярными облаками. Во время их образования они аккумулируют газ из этих облаков, а когда вращаются звезды, газ и пыль накапливаются во вращающемся диске вокруг звезды, который называется протопланетным. Как следует из названия, именно здесь формируются планеты путем аккумуляции материала с диска.
Это простое объяснение чрезвычайно сложного процесса, который является постоянным предметом исследований в астрономии. Десятилетия наблюдений подтвердили основную гипотезу, что звезды постепенно накапливают материал из этих дисков, часть же «отдувается» излучением звезды, а часть образует планеты.
С течением времени протопланетный диск рассеивается, звезда перестает накапливать материал и достигает своей окончательной массы, а формирование планет прекращается.
Однако заглянуть в эти среды, чтобы понять, что там происходит, крайне сложно. Весь процесс скрыт за толстым слоем газа и пыли, поэтому значительная часть наших знаний основана как на наблюдениях, так и на теоретических моделях. Поэтому такое объяснение подходит не для всех светил.
Исследования по образованию звезд промежуточной массы
Оно работает для светил примерно таких же размеров, как Солнце, но не подходит для звезд промежуточной массы. Наблюдая такие объекты, с массой от 1,5 до 4 солнечных, астрономы обнаруживают, что они накапливают массу быстрее, чем ожидалось.
Новые исследования показывают, что вместо того чтобы их накопление уменьшалось с возрастом, звезды промежуточной массы переживают быстрые всплески роста позже, во время своего формирования. Парадоксально, но это не препятствует формированию планет, а действительно позволяет расти газовым гигантам, таким как Юпитер.
Исследование под названием «Эволюция скорости аккреции молодых звезд средней массы: последствия для эволюции диска и формирования планет» опубликовано в журнале The Astronomical Journal, а ведущим автором является Шон Бриттейн, профессор кафедры физики и астрономии в Университете Клемсона в Южной Каролине.
Исследование сосредоточено на двух типах светил: объектах средней массы типа Т-Тельца и звездах Гербига. Звезды Т-Тельца являются молодыми доклассовыми светилами, а звезды Гербига — следующим этапом их эволюции (IMTTS). Звезды Гербига ближе к выходу на главную последовательность, хотя до сих пор находятся в процессе формирования и все еще погружены в свои диски. Они массивнее и горячее Солнца.
Аккреция материала протозвездами промежуточной массы
Во время аккреции материала звезды также излучают энергию — и именно на этом сосредоточено новое исследование. Измеряя мощность этого излучения, астрофизики могут определить скорость роста светила.
«Когда материал падает на звезду, выделяется много энергии. Точно так же, как когда вы роняете стул, он издает шум или даже ломается. В случае аккумуляции материала выделяемая энергия значительно больше. Мы можем наблюдать это как дополнительное излучение от системы, что позволяет нам определить скорость, с которой звезды увеличивают свою массу», — сказал Бриттейн.
Наблюдая звезды Гербига, исследователи увидели, что темп аккреции растет с возрастом, когда звезды достигают зрелости.
«Это означает, что окружающие эти звезды диски сначала должны быть очень массивными. Это создает проблему, поскольку такие массивные диски были бы нестабильны и распадались еще до того, как планеты имели бы шанс образоваться», — сказал Рене Оудмайер, член команды из Королевской обсерватории Бельгии.
Нестабильность массивных протопланетных дисков
Может показаться, что массивные диски способствуют формированию планет, но действительно все наоборот. Когда масса диска составляет около 10 % от массы его звезды или больше, он становится нестабильным. Он может быстро распадаться на скопления, препятствуя постепенному формированию планет из-за столкновения и аккреции.
Когда исследователи наблюдали IMTTS, они обнаружили, что их скорость аккреции была более чем в 10 раз ниже, чем у их более развитых аналогов, звезд Гербига.
«Вместо более высоких скоростей аккреции, мы обнаружили значения, которые были до 30 раз меньше, чем в звезде Гербига. В определенном смысле это решает проблему массы, поскольку диск не должен быть таким массивным на начальном этапе», — сказала Гвендолин Меус из Университета Автонома де Мадрид в Испании.
Следовательно, снижение скорости аккреции для стареющих звезд Гербига свидетельствует о массивных дисках, которые нестабильны, а нестабильность препятствует формированию планет. Еще более низкие скорости аккреции для IMTTS, кажется, решают проблему массы, поскольку диск сначала может быть меньше и все же позволять формирование газовых гигантов.
Но это порождает другую проблему: старшие звезды накапливают массу значительно быстрее, чем их более молодые аналоги. Теория же предполагает, что такого быть не может — это просто не имеет смысла. Почему звезда наращивает меньше массы тогда, когда материала больше, и больше массы тогда, когда его уже меньше?
Объяснение загадки
Исследователи приступили к разработке модели, которая могла бы это объяснить. Их модель показывает, что аккреция обусловлена частью излучения звезды, в частности, дальнего ультрафиолетового (FUV) излучения.
«Мы предложили физически правдоподобный сценарий, который объясняет систематическое увеличение аккреции на звезду, основываясь на росте эффективной температуры светил по мере их эволюции к нулевому возрасту главной последовательности», — пишут исследователи в своей статье.
Вот их решение: более эволюционно развитые звезды Гербига горячее своих младших аналогов ИМТТС, и эта большая температура заставляет звезду излучать больше в далеком ультрафиолете (FUV). «Следовательно, светимость излучения в далеком ультрафиолете (FUV) растет на порядки величины. Мы предполагаем, что это увеличение влечет за собой более высокую скорость аккреции на звезду», — объясняют авторы.
FUV-излучение ионизирует большую часть газа в диске, что усиливает аккрецию на звезду. Это происходит благодаря магниторотационной нестабильности (MRI) — основному механизму, который приводит к аккреции материала на звезду.
Звезды окружены собственными магнитными полями, а нейтральный газ с ними взаимодействует плохо. Но ионизированный газ взаимодействует. Он реагирует на линии магнитного поля вокруг светил. Когда газ становится сильно ионизированным, это фактически создает турбулентность в линиях магнитного поля звезды. Турбулентность переносит угловой момент с диска наружу.
Это означает, что внутренние регионы диска имеют более слабый угловой момент, и это позволяет звезде быстрее аккретировать материал.
Кажется, это решает проблему формирования гигантских планет вокруг светил средней массы. Повышенное тепло звезд Гербига способствует быстрой аккреции, и более массивный диск не является необходимым.
«Понимание того, что более горячие звезды излучают больше ультрафиолетового света, чем более холодные, известно уже более ста лет, и ожидание того, что ионизация диска играет важную роль в процессе аккреции, существует на протяжении десятилетий», — сказал Бриттейн.
Эта работа олицетворяет эстафету научного прогресса, опираясь на эти основные идеи и демонстрируя, что эти системы действительно имеют неожиданный поздний всплеск роста.
Формирование у звезд Гербига
Эти результаты согласуются и с современными наблюдениями звезд Гербига. Данные ALMA и инструмента SPHERE на Очень большом телескопе показывают, что их диски часто содержат выраженные спиралевидные рукава. Для этих структур было предложено несколько объяснений — от гравитационных нестабильностей до возмущений, вызванных спутниками, в частности коричневыми карликами, звездными компаньонами или планетами. Зато их менее развитые аналоги — IMTTS — таких структур не демонстрируют.
В заключении своей научной статьи авторы пишут, что спиралевидная структура среди звезд Гербига более правдоподобно является признаком формирования газовых гигантских планет.
«Наконец, наша модель предполагает, что диски с достаточной массой для формирования планет вокруг звезд Гербига могут существовать несколько миллионов лет, даже при высоких скоростях аккреции, которые наблюдаются на этом этапе эволюции, что дает время для формирования газовых гигантских планет в этих системах», — заключают исследователи.
