Какие молекулы должны образовываться в дисках коричневых карликов? Как химический состав этих дисков зависит от их физических свойств? Ответ на эти вопросы дает разработанная российскими учеными уникальная численная модель, в которой учтены все важнейшие физические и химические процессы в дисках.
Коричневые карлики стали известны астрономам совсем недавно. Первый из них обнаружен в 1995 году. А то, что эти объекты могут быть окружены дисками подобно маломассивным звездам типа T Тельца (T Tauri star), обнаружилось только в 2001 году. Масса дисков вокруг коричневых карликов невелика — она варьирует в пределах от 0,4 до 5,7 масс Юпитера, что делает эти диски трудными для наблюдения: во-первых, нужны инструменты высокой чувствительности для приема слабого сигнала, а во-вторых — хорошее угловое разрешение для обнаружения структур малого размера (подробнее о чувствительности и угловом разрешении см.: Вся история звездообразования в одной фотографии, «Элементы», 10.06.2008»).Коричневые карлики — промежуточное звено между планетами и звездами. По определению, коричневый карлик — это объект, масса которого недостаточна для долговременного поддержания термоядерных реакций превращения водорода в гелий, но достаточна для кратковременного горения дейтерия. Массы коричневых карликов заключены в пределах примерно от 13 до 80 масс Юпитера (от 0,01 до 0,08 масс Солнца).
Звезды типа Т Тельца — это молодые звезды с массой менее 2 масс Солнца и переменным блеском. Переменность связана с наличием диска, вращающегося вокруг звезды. Поскольку физическая причина переменности блеска этих звезд одинакова, их относят к общему классу «звезд типа Т Тельца», по имени первой молодой звезды, где такая переменность была обнаружена. Часть вещества диска (газ и пыль) постепенно приближается всё ближе и ближе к звезде и, в конце концов, падает на нее (аккрецирует); часть вещества участвует в образовании планетной системы вокруг звезды, а часть выбрасывается наружу. Вероятно, несколько миллиардов лет назад звездой типа Т Тельца было и наше Солнце.
Диски не излучают в видимом свете, как, например, Солнце, но в них можно наблюдать излучение различных молекул в инфракрасном (порядка 10–100 микрон) и миллиметровом диапазонах длин волн. При подготовке к наблюдениям на телескопах мирового уровня нужно сначала на основе теории сделать выводы о том, излучение каких молекул нужно наблюдать в дисках, чтобы эффективно исследовать их природу.
Дмитрий Вибе из Института астрономии РАН (Москва) и группой под руководством Томаса Хеннинга из Института астрономии Общества им. Макса Планка (Гейдельберг, Германия) разработали численную модель, учитывающую все основные физические и химические процессы, протекающие в газово-пылевых дисках вокруг коричневых карликов и звездах типа T Тельца. В эту модель включено около 500 химических компонентов (молекул, атомов и ионов) и примерно 5000 химических реакций.
По результатам моделирования оказалось, что диски у звезд типа T Тельца должны быть более горячими, плотными и тонкими (см. рис. 2), чем диски у коричневых карликов. Авторы рассмотрели два различных типа дисков вокруг коричневых карликов — с высокой и низкой скоростью аккреции (то есть скоростью падения вещества диска на центральный объект). Высокая скорость равна двум миллиардным долям массы Солнца в год (2·10–9 MСол в год; обычное значение для звезд типа T Тельца), низкая — в 2000 раз меньше (2·10–12 MСол в год; это значение, вероятно, свойственно дискам у наименее массивных коричневых карликов). Оказалось, что в диске с низким темпом аккреции вещество распределено почти равномерно (рис. 2), в то время как в диске с высоким темпом аккреции поверхностная плотность в центре на три порядка выше, чем на краю, так же, как и в диске, окружающем молодую звезду.
|
Температура и плотность газа и пыли, а также интенсивность ультрафиолетового и рентгеновского излучения центрального объекта — вот что определяет образование и разрушение молекул в дисках вокруг звезд и коричневых карликов. Основные различия между этими параметрами в моделях, рассмотренных авторами, появляются в теплом молекулярном слое на расстояниях от 1 а. е. до 100 а. е. от центрального источника излучения (а. е., астрономическая единица — среднее расстояние от Земли до Солнца, оно равно 150 млн км).
Диски вокруг звезды типа Т Тельца и коричневого карлика с высокой скоростью аккреции очень плотны, поэтому рентгеновское излучение центрального источника в них почти не проникает, чего нельзя сказать о диске коричневого карлика с малой скоростью аккреции — оно хорошо проникает в глубокие слои диска и ионизует вещество. Поэтому в первом и втором случаях количество электронов может составлять один на десять тысяч миллионов частиц (10–13), а в третьем не падает ниже одной десятимиллионной доли (10–9). Результаты расчетов показаны на рис. 3. Хотя оба этих значения кажутся очень малыми, эффективность взаимодействия вещества этих дисков с межзвездным магнитным полем будет существенно различаться.
|
Еще одной интересной особенностью дисков является наличие так называемой «зоны мантий» — области посреди теплого молекулярного слоя, в которой молекулы прилипают (обычно для этого используется термин «вымораживаются») к пылинкам, окружая их ледяными «мантиями». На рис. 4 в качестве примера показано содержание молекулярного азота N2 во всех трех моделях диска. В «зоне мантий» (синие области), как ни странно, относительно высокая температура газа не только не препятствует образованию ледяных оболочек, но даже способствует ему. Дело в том, что здесь помимо температуры газа на протекание химических процессов влияет энергия десорбции молекул, то есть энергия, которую нужно приложить к молекуле, чтобы оторвать ее от пылинки.
В центральной области диска холодно, химические реакции там почти не идут, и почти все атомы азота связаны в молекулы N2 с небольшой энергией десорбции, которые очень плохо прилипают к пылинкам. Если же подняться чуть выше над плоскостью диска, температура газа начинает расти, и в нём активизируется образование молекул аммиака NH3. С другой стороны, в этой зоне всё равно холодно для того, чтобы вновь синтезированный аммиак, прилипнув к пылинке, испарился с нее обратно, потому что энергия десорбции NH3 гораздо выше, чем у N2. В результате атомы азота переходят из молекулярного азота в аммиак, примерзают к пылинкам и «застревают» на них, а содержание молекулярного азота в газе резко падает. Еще выше температура поднимается настолько, что даже «тугоплавкие» аммиачные мантии на пылинках не образуются.
«Зона мантий» присутствует в околозвездном диске и, частично, в диске вокруг коричневого карлика с высокой скоростью аккреции, но практически отсутствует в диске коричневого карлика с низкой скоростью аккреции. Молекулы N2 в нём разрушаются рентгеновским излучением коричневого карлика. Точно так же, как молекулы N2, ведут себя в газовой фазе молекулы кислорода O2 и важнейшие межзвездные молекулы оксида углерода CO. В «зоне мантий» на поверхностях пылинок присутствует также вода, которая вместе с другими примесями (аммиак, метан и др.) образует оболочку «грязного» льда вокруг ядра пылинки.
|
Авторы рассмотрели широкий круг химических компонентов и выявили наличие двух отдельных групп молекул, содержание которых по-разному меняется в дисках. Характерные представители первой группы — CO, N2 и CS, концентрация которых меняется по мере удаления от центрального источника похожим образом в околозвездных дисках и дисках коричневых карликов с высокой скоростью аккреции. Распределения молекул показаны на рис. 5. Характерные представители второй группы — NH3, N2H+, HCO+, наоборот, распределены почти одинаково в дисках коричневых карликов как с высоким, так и с низким темпом аккреции, но их содержание намного выше в околозвездном диске.
|
Наличие особенностей в молекулярном составе рассмотренных дисков приводит к тому, что наблюдатель будет видеть излучение молекул от разных типов дисков по-разному: оно будет иметь неодинаковую яркость и будет приходить из разных областей диска. Всё это позволит правильно интерпретировать наблюдения молекулярного излучения в дисках и делать выводы о том, как они образуются и эволюционируют со временем и как, в конечном итоге, происходит образование планетных систем вокруг звезд и коричневых карликов.
На сегодняшний день для наблюдений дисков вокруг коричневых карликов доступны Космический телескоп им. Спитцера и интерферометр IRAM (Institut de Radio Astronomie Millimetrique, Институт миллиметровой астрономии, Плато-де-Бюр, Испания). Кроме того, через один-два года войдут в строй такие первоклассные инструменты, как интерферометр ALMA (Atacama Large Millimeter Array, Большая миллиметровая антенная решетка в Атакаме, Плато Чайнатор, Чили) и Космический телескоп им. Гершеля (William Herschel Telescope). Этой же командой исследователей уже сделаны первые теоретические предсказания о том, какими наблюдатель увидит околозвездные диски с помощью интерферометра ALMA. Современные наблюдательные средства очень дороги в изготовлении и эксплуатации, поэтому задачи, решаемые с их помощью, требуют от астрономов проработки плана исследований до мельчайших подробностей и практически не дают им права на ошибку.
