10K
Астрономы использовали инструмент GRAVITY для самого подробного на текущий момент изучения ближайших окрестностей молодой звезды. Их наблюдения подтверждают теорию тридцатилетней давности о росте молодых светил: магнитное поле, создаваемое самой звездой, направляет материал из окружающего аккреционного диска из газа и пыли на ее поверхность. Результаты, опубликованные в журнале Nature, помогут астрономам лучше понять формирование солнцеподобных звезд и зарождение планет.
С чего начинается звезда?
Звезда рождается, когда плотная область в облаке молекулярного газа коллапсирует под действием собственной силы тяжести, становится значительно плотнее и нагревается. В течение сотен тысяч лет она увеличивает свою массу, втягивая все больше окружающего материала. В конечном итоге плотность и температура в образовавшейся протозвезде становятся настолько высокими, что начинается ядерный синтез водорода с гелием. Но, все-таки, какие силы управляют процессом поглощения газа? Благодаря уникальному астрономическому инструменту на этот вопрос найден окончательный ответ.
Система GRAVITY объединяет четыре 8-метровых телескопа VLT Европейской южной обсерватории (ESO) в Чили в виртуальный телескоп, который может различать мелкие детали аналогично телескопу со 100-метровым зеркалом. Используя GRAVITY, исследователи наблюдали внутреннюю часть газового диска, окружающего звезду TW Hydrae, и установили, что газ управляется ее магнитным полем, падая на поверхность светила тонкими струями.
«Эта звезда особенная, потому что она находится очень близко к Земле на расстоянии всего 196 световых лет, а диск материи, окружающий ее, обращен прямо к нам. Это делает систему TW Hydrae идеальной лабораторией по исследованию новорожденных звезд и их окружения», – говорит ведущий автор исследования Ребека Гарсиа Лопес из Института астрономии Макса Планка (Германия) и Университетского колледжа Дублина (Ирландия).
Наблюдение позволило астрономам показать, что излучение в ближнем инфракрасном диапазоне, испускаемое системой в целом, на самом деле происходит из самой внутренней области, где газообразный водород падает на поверхность звезды. Результаты ясно указывают на процесс, известный как магнитосферная аккреция, то есть падающая материя управляется магнитным полем звезды.
Пункт назначения: поверхность звезды
Можно подумать, что перенести газ или пыль на массивное тело довольно легко. Тем не менее, все не так просто. Из-за того, что физики называют сохранением углового момента, для любого объекта – будь то планета или газовое облако – гораздо естественнее вращаться вокруг массы, чем падать прямо на ее поверхность. Одной из причин, по которой какому-то веществу все же удается достичь поверхности, является так называемый аккреционный диск, в котором газ вращается вокруг центральной массы. Он подвержен большому количеству внутреннего трения, которое позволяет одной части газа передавать свой угловой момент другим частям и продвигаться дальше вглубь системы. Стоит отметить, что на расстоянии от звезды, которое менее чем в 10 раз превышает ее радиус, процесс аккреции становится еще более сложным.
Тридцать лет назад Макс Камензинд предложил элегантное решение этой проблемы: в процессе магнитосферной аккреции магнитные поля молодого звездного объекта направляют газ от внутреннего края околозвездного диска к поверхности в виде отчетливых потоков, помогая ему терять угловой момент и перетекать на звезду. В самом простом сценарии газ от внутреннего края диска будет направлен на магнитные полюса звезды.
Проверка магнитосферной аккреции
Одно дело – создать модель, объясняющую определенные физические процессы. Однако важно иметь возможность протестировать ее с помощью наблюдений. Но рассматриваемые масштабы длины имеют порядок звездных радиусов, что очень мало по астрономическим масштабам.
Первое указание на то, что магнитосферная аккреция вообще существует, было получено при исследовании спектров некоторых звезд типа Т Тельца (молодые звездные объекты, еще не полностью поглотившие газо-пылевой диск). Спектры газовых облаков содержат информацию о движении газа. Для некоторых звезд типа Т Тельца спектры показали, что дисковый материал падает на поверхность звезды со скоростями до нескольких сотен километров в секунду, что является косвенным свидетельством наличия аккреционных потоков вдоль силовых линий магнитного поля.
В последнее время астрономические инструменты достигли достаточно высокого разрешения, позволяющего проводить прямые наблюдения, которые дают представление о магнитосферной аккреции. Инструмент GRAVITY играет здесь ключевую роль. В приборе используется специальный метод, известный как интерферометрия. В результате он может различать настолько мелкие детали, как если бы наблюдения производились с помощью одного телескопа со 100-метровым зеркалом.
Захват магнитных воронок в действии
Летом 2019 года было установлено, что мощное излучение от процесса аккреции испускается не из околозвездного диска, а ближе к поверхности светил. Более того, источник этого света немного смещен относительно центра самой звезды. Оба свойства согласуются с тем, что свет излучается около одного конца магнитной воронки, где падающий газообразный водород сталкивается с поверхностью звезды.
Новые результаты GRAVITY в наблюдениях молодой звезды в созвездии Гидры идут еще дальше. Инструмент может увидеть спектры, соответствующие высоковозбужденному водороду (серия Брэккета), и продемонстрировать, что они происходят из области, не более чем в 3,5 раза превышающей радиус звезды в поперечнике.
Согласно всем физическим моделям, внутренний край околозвездного диска не может быть так близко к звезде. Если свет исходит из этой области, он не может быть испущен из любой части диска. На таком расстоянии свет также не может быть вызван звездным ветром. Таким образом, единственным правдоподобным объяснением остается модель магнитосферной аккреции.
Что дальше?
В будущих наблюдения исследователи попытаются получить данные, которые позволят им более детально реконструировать физические процессы вблизи звезд.
«Наблюдая за положением нижней конечной точки воронки с течением времени, мы надеемся получить ключ к разгадке того, насколько далеки северный и южный магнитные полюсы от оси вращения звезды. Если бы они были выровнены с осью вращения, их положение со временем вообще не изменилось бы», – объясняет Вольфганг Бранднер, соавтор исследования из Института астрономии Макса Планка..
Астрономы также надеются обнаружить подсказки относительно того, действительно ли магнитное поле звезды такое же простое, как конфигурация северного и южного полюсов.
«Магнитные поля могут быть намного сложнее и иметь дополнительные полюса. Они также могут меняться со временем, что является частью предполагаемого объяснения изменений яркости звезд типа Т Тельца», – заключили исследователи.