Газ достигает молодых звезд по силовым линиям магнитного поля

Их наблюдения подтверждают теорию тридцатилетней давности о росте молодых звезд: магнитное поле, создаваемое самой звездой, направляет материал из окружающего аккреционного диска из газа и пыли на ее поверхность. Результаты, опубликованные сегодня в журнале Nature, помогают астрономам лучше понять, как формируются звезды, подобные Солнцу, и как планеты, похожие на Землю, образуются из дисков, окружающих этих звездных младенцев.

Когда образуются звезды, они начинаются со сравнительно небольших размеров и располагаются глубоко внутри газового облака. В течение следующих сотен тысяч лет они втягивают в себя все больше и больше окружающего газа, увеличивая при этом свою массу. Используя инструмент GRAVITY, группа исследователей, в которую входят астрономы и инженеры из Института астрономии Макса Планка (MPIA), теперь нашла самое прямое доказательство того, как этот газ направляется на молодые звезды: магнитное поле направляет его на поверхность звезды узкой колонной.

Соответствующие шкалы длины настолько малы, что даже с лучшими телескопами невозможно получить подробные изображения процесса. Тем не менее, используя новейшие технологии наблюдений, астрономы могут хотя бы почерпнуть некоторую информацию. В новом исследовании ученые использовали исключительно высокую разрешающую способность инструмента GRAVITY. Он объединяет четыре 8-метровых телескопа VLT Европейской южной обсерватории (ESO) в обсерватории Паранал в Чили в виртуальный телескоп, который может различать мелкие детали так же, как телескоп со 100-метровым зеркалом.

Используя GRAVITY, исследователи смогли наблюдать внутреннюю часть газового диска, окружающего звезду TW Гидры. «Эта звезда особенная, потому что находится очень близко к Земле, всего в 196 световых годах от нас, и диск материи, окружающий звезду, обращен прямо к нам», - говорит Ребека Гарсиа Лопес, главный автор и ведущий ученый этого исследования. «Это делает её идеальным кандидатом для исследования того, как материя из диска, образующего планету, направляется на поверхность звезды».

Наблюдение позволило астрономам показать, что излучение в ближнем инфракрасном диапазоне, излучаемое всей системой, действительно происходит в самой внутренней области, где газообразный водород падает на поверхность звезды. Результаты ясно указывают на магнитосферную аккрецию, то есть падающее вещество, управляемое магнитным полем звезды.

Звездное рождение и звездный рост

Звезда рождается, когда плотная область в облаке молекулярного газа коллапсирует под действием собственной силы тяжести, становится значительно плотнее и нагревается, пока в конечном итоге плотность и температура в образовавшейся протозвезде не станут настолько высокими, что начнется ядерный синтез водорода с гелием. Для протозвезд, масса которых примерно в 2 раза больше массы Солнца, около десяти миллионов лет непосредственно перед воспламенением протон-протонного ядерного синтеза составляют так называемую фазу Т Тельца (названную в честь первой наблюдаемой звезды такого типа, Т Тельца, в созвездии Тельца).

Звезды, которые мы видим в этой фазе развития, известные как звезды Т Тельца, светятся довольно ярко, особенно в инфракрасном свете. Эти так называемые «молодые звездные объекты» еще не достигли своей окончательной массы: они окружены остатками облака, из которого родились, в частности, газом, сжавшимся в околозвездный диск, окружающий звезду. Во внешних областях этого диска пыль и газ слипаются и образуют все более крупные тела, которые в конечном итоге станут планетами. С другой стороны, большое количество газа и пыли из внутренней области диска притягивается к звезде, увеличивая ее массу. И последнее, но не менее важное: интенсивное излучение звезды вытесняет значительную часть газа в виде звездного ветра.

Ориентиры на поверхность: магнитное поле звезды

Наивно думать, что перенести газ или пыль на массивное тело с гравитацией легко. Наоборот, 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 веществу все же удается достичь поверхности, является аккреционный диск, в котором газ вращается вокруг центральной массы. Внутри имеется большое количество внутреннего трения, которое постоянно позволяет одной части газа передавать свой угловой момент другим частям газа и продвигает дальше внутрь. Тем не менее, на расстоянии от звезды, которое менее чем в 10 раз превышает радиус звезды, процесс аккреции становится более сложным. Преодолеть последнее расстояние непросто.

Тридцать лет назад Макс Камензинд из обсерватории Кёнигштуль (которая с тех пор стала частью Гейдельбергского университета) предложил решение этой проблемы. Звезды обычно обладают магнитными полями - например, поле нашего Солнца регулярно ускоряет электрически заряженные частицы в нашем направлении, что приводит к появлению северного или южного сияния. В процессе магнитосферной аккреции магнитные поля молодого звездного объекта направляют газ от внутреннего края околозвездного диска к поверхности в виде отчетливых столбчатых потоков, помогая им терять угловой момент таким образом, чтобы газ попадал на звезду.

В самом простом сценарии магнитное поле похоже на поле Земли. Газ от внутреннего края диска будет направлен на северный и южный магнитные полюса звезды.

Проверка магнитосферной аккреции

Одно дело - иметь модель, объясняющую определенные физические процессы, но важно и иметь возможность протестировать эту модель с помощью наблюдений. Но рассматриваемые масштабы длины имеют порядок звездных радиусов, что очень мало по астрономическим масштабам. До недавнего времени такие масштабы длины были слишком малы даже вокруг ближайших молодых звезд, чтобы астрономы могли сделать снимок, показывающий все важные детали.

Первое указание на то, что магнитосферная аккреция действительно присутствует, было получено при исследовании спектров некоторых звезд типа Т Тельца. 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 некоторых случаях сила магнитного поля вблизи звезды типа Т Тельца может быть напрямую измерена путем комбинирования спектров высокого разрешения и поляриметрии, которая регистрирует ориентацию электромагнитных волн, которые мы получаем от объекта.

В последнее время инструменты стали достаточно продвинутыми, а точнее: достигли достаточно высокого разрешения, достаточно хорошей способности различать мелкие детали, что позволяет проводить прямые наблюдения, которые дают представление о магнитосферной аккреции.

Инструмент GRAVITY здесь играет ключевую роль. Он был разработан консорциумом, в который входит Институт астрономии Макса Планка во главе с Институтом внеземной физики Макса Планка. Работающий с 2016 года, GRAVITY соединяет четыре 8-метровых телескопа VLT, расположенных в Паранальской обсерватории ESO. В приборе используется метод интерферометрии. В результате GRAVITY может различать настолько мелкие детали, как если бы наблюдения производились с помощью одного телескопа со 100-метровым зеркалом.

Улавливание магнитных воронок с места действия

Летом 2019 года группа астрономов во главе с Жеромом Бувье из Университета Гренобль-Альпы использовала GRAVITY для исследования внутренних областей звезды типа Т Тельца с обозначением DoAr 44. Рассматриваемая система излучает значительное количество света на длине волны, характерной для высоковозбужденного водорода. Энергичное ультрафиолетовое излучение звезды ионизирует отдельные атомы водорода в аккреционном диске, вращающемся вокруг звезды.

Затем магнитное поле воздействует на электрически заряженные ядра водорода (каждое - отдельный протон). Детали физических процессов, которые нагревают газообразный водород, когда он движется вдоль аккреционного диска к звезде, еще не изучены. Наблюдаемые спектральные линии показывают, что происходит нагрев.

Для наблюдений GRAVITY угловое разрешение было достаточно высоким, чтобы показать, что свет исходит не от околозвездного диска, а ближе к поверхности звезды. Более того, источник этого света был 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. Эти результаты были опубликованы в статье в журнале Astronomy & Astrophysics.

Новые результаты, опубликованные в журнале Nature, идут еще дальше. В этом случае наблюдения GRAVITY были нацелены на звезду TW Гидры, молодую звезду в созвездии Гидры. Вероятно, это наиболее изученная система в своем роде.

Слишком мал, чтобы быть частью диска

Этими наблюдениями Ребека Гарсиа Лопес и ее коллеги раздвинули границы еще дальше. GRAVITY может увидеть выбросы, соответствующие линии, связанной с высоковозбужденным водородом, и продемонстрировать, что они происходят из области, не более чем в 3,5 раза превышающей радиус звезды в поперечнике (около 3 миллионов км, или в 8 раз больше расстояния между Землей и Луной).

Это существенная разница. 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 и результатом звездного ветра - единственная другая реальная возможность. В совокупности то, что остается правдоподобным объяснением, - это модель магнитосферной аккреции.

Что дальше?

В будущих наблюдениях, снова используя GRAVITY, исследователи попытаются получить данные, которые позволят им более детально реконструировать физические процессы вблизи звезды. «Наблюдая за положением нижней конечной точки воронки с течением времени, мы надеемся получить ключ к разгадке того, насколько удалены северный и южный магнитные полюса от оси вращения звезды», - объясняет Вольфганг Бранднер, соавтор и ученый из MPIA. Если бы северный и южный полюсы были прямо выровнены с осью вращения, их положение со временем вообще не изменилось бы.

Они также надеются получить подсказки относительно того, действительно ли магнитное поле звезды такое же простое, как конфигурация северный полюс - южный полюс. «Магнитные поля могут быть намного сложнее и иметь дополнительные полюса», - объясняет Томас Хеннинг, директор MPIA. «Поля также могут меняться со временем, что является частью предполагаемого объяснения изменений яркости звезд типа Т Тельца».

Это пример того, как методы наблюдения могут способствовать прогрессу в астрономии. В этом случае новые методы наблюдений, воплощенные в GRAVITY, смогли подтвердить идеи о росте молодых звездных объектов, которые были предложены еще 30 лет назад. И будущие наблюдения помогут еще лучше понять, как кормят маленьких звезд.