динамика протопланетных дисков

В густом облаке газа и пыли, где рождаются массивные звёзды, две молодые звезды недавно прошли очень близко друг от друга. Их танец длится всего около шестидесяти лет, и астрономы впервые увидели его в деталях.

Нить космической паутины тянется через молодую Вселенную, и на ней, как бусины на ожерелье, нанизаны галактики. В ядре протокластера SSA22, который через миллиарды лет станет центром массивного скопления, эти бусины ещё горячие и пыльные: внутри них рождаются звёзды, а холодный газ служит топливом.

Вихрь в магнитном диске обычно ведёт себя как большой юла: чтобы он не опрокинулся, нужна просторная площадка и сильное собственное поле, которое возвращает его в центр. Но что если площадку уменьшить до размера вируса? Тогда привычная опора исчезает, и вихрь должен рассыпаться.

В самых холодных и тёмных уголках космоса микроскопические пылинки покрываются льдом, как окно в морозный день. Этот лёд — не просто замёрзшая вода: в его состав входят угарный газ (CO) и углекислый газ (CO₂). Именно из такого льда впоследствии могут сформироваться кометы и планеты.

В тёмной кухне молекулярного облака Тельца, в 450 световых годах от нас, готовятся десятки планетных систем. Каждая молодая звезда — это повар, а её протопланетный диск — стол, заваленный мукой-пылью и паром-газом. До сих пор астрономы видели только готовые «блюда» — уже сформированные планеты.

После взрыва сверхновой в центре остаётся компактный объект размером с город — новорождённая нейтронная звезда. Это экстремальное состояние вещества: звезда горячая, сжатая до ядерной плотности и дрожит, как колокол после удара.

Рождение луны — это космическая катастрофа. Две молодые планеты сталкиваются, и облако раскалённых обломков закручивается вокруг уцелевшего мира. Из этого диска, словно из глины на гончарном круге, со временем формируется спутник. Так, вероятно, появилась наша Луна. Но что, если гончарный круг трясёт и дёргает сама звезда? Астрономы исследовали именно этот сценарий.

В печи звездообразования жар достигает 900 градусов — как в раскалённой доменной печи. Именно в таком пекле рождаются космические кристаллы. Астрономы впервые зафиксировали момент, когда кристаллическая пыль появляется непосредственно во время аккреционной вспышки у очень молодой звезды EC 53, ещё укутанной в плотный газовый кокон.

Камень падает в спокойную воду — и по глади расходятся ровные кольца. Если же камень не просто падает, а ещё и вращается, на поверхности появляются маленькие воронки — вихри. Свет умеет делать то же самое, только вместо воды — само пространство и время.

Семьдесят два протопланетных диска — вращающихся газопылевых кокона, полных космической пыли и газа, — попали под прицел инструмента MIRI на JWST. У большинства в космос вырываются потоки: плотные конические структуры и тонкие скоростные струи. Они бьют, как фонтаны. Этот процесс не случаен.

Два города пережили череду пожаров. В одном ветер разносит пепел далеко за окраины, и небо остаётся чистым. В другом — пепел оседает плотной завесой, окрашивая закаты в багровый. Примерно так же, только в масштабах галактик, работают взрывы сверхновых — финальные вспышки массивных звёзд.

В одной звёздной системе кружатся две команды планет. Одни движутся по аккуратным орбитам, как фигуристы на катке, избегая столкновений. Другие сбиваются в кучу, их траектории пересекаются, и рано или поздно происходит космическая авария — гигантский удар.

Крошечный спутник, словно пловец, рассекает невидимые слои газа в раздувшейся оболочке красного гиганта. Каждый круг его орбиты возбуждает акустический след — волны сжатия, бегущие сквозь плазму. Согласно закону всемирного тяготения, спутник притягивает газ, а газ — спутник, создавая этот след.

Среди раскаленных экзопланет, что кружатся в опасной близости от своих звезд, скрывается тайна рождения. Почти три десятилетия назад Мишель Майор и Дидье Кело открыли первый такой мир, и с тех пор астрономов мучает вопрос: как газовый гигант оказывается притиснутым к самому лику звезды?

Около некоторых молодых звёзд, где недавно завершилось звездообразование, кружатся не просто пылевые кольца, а настоящие поля планетных битв — экстремальные обломочные диски.

Словно тончайший часовой механизм, многопланетная система чутко реагирует на малейший толчок. И когда звезда в центре этого механизма умирает, сбрасывая оболочку и превращаясь в белый карлик, даже скромный пинок со скоростью 0,75 км/с способен запустить каскад событий, выбрасывающих целые миры в межзвёздную пустоту.

В двух миллионах лет от нас, вокруг молодой звезды CI Tau, кружится газопылевой диск — протопланетная колыбель. Наблюдения на ALMA уже показали в нем кольца и зазоры, но самые тонкие детали оставались невидимы: их ширина меньше разрешающей способности инструмента. Астрофизики придумали способ заглянуть за этот предел.

Планета WASP-121 b — это не просто горячий шар. Это мир, где железо испаряется, а небо светится собственным жаром. Новый взгляд на неё помог понять, из каких «продуктов» она собралась.

Раскалённая каменная планета похожа на кастрюлю с кипящим супом, только крышка у неё — атмосфера. Газы вырываются из магмы, окутывают мир плотным одеялом и сами же влияют на то, как быстро остывает небесное тело. Для планеты GJ 1132 b, которая находится так близко к своей звезде, что год там длится всего полтора земных дня, эта связь особенно важна.

Кастрюлю с кипящим супом сильно трясут — и жидкость в ней плещется, волны бьются о стенки. Примерно то же самое происходит внутри газовой планеты, когда она по вытянутой орбите пролетает рядом со звездой. Гравитация звезды возбуждает в планете мощные внутренние волны — их называют приливными фундаментальными модами. Эти волны могут полностью изменить судьбу планеты.

Густая похлёбка медленно остывает в кастрюле. Внезапно огонь под ней вспыхивает, и похлёбка начинает бурлить, разбиваясь на множество маленьких водоворотов. Примерно так же ведёт себя диск из газа и пыли вокруг молодой звезды, когда та переживает вспышку — резкий приток вещества из диска на звезду.

В сборке Солнечной системы, словно в дегустационном меню высокой кухни, рецепт не всегда фиксирован заранее — иногда последний ингредиент добавляется, когда блюдо уже на огне. Таким ингредиентом для внешних планет стал поток вещества из молекулярного облака, впрыснутый в протопланетный диск спустя миллионы лет после начала аккреции.

Кастрюля с кипящей кашей, где вместо крупы — слои кислорода и кремния, а огонь под ней вот-вот погаснет, и звезда схлопнется сама в себя. До сих пор повара-астрофизики пользовались упрощённым рецептом: считали, что пузыри и завихрения в каше подчиняются одной и той же средней температуре по всей глубине. Но реальная каша оказалась капризнее.

Когда массивная звезда исчерпывает термоядерное топливо, её ядро стремительно сжимается — коллапсирует, порождая чёрную дыру, окружённую аккреционным диском из раскалённой плазмы. Чтобы из этого диска вырвались узкие релятивистские струи — джеты, необходимо крупномасштабное упорядоченное магнитное поле.

Юла, которая вращается и при этом слегка покачивается, — примерно так, по мнению астрономов, ведёт себя нейтронная звезда в двойной системе Геркулес X-1. Полный оборот вокруг своей оси она делает за секунду, но её ось медленно описывает конус с периодом в 35 дней.

Планета WASP-121 b всегда повёрнута к своей звезде одним боком, как камень в костре. Дневная сторона раскалена до того, что привычный водород — тот самый, из которого состоит большая часть Вселенной — не выдерживает: его молекулы разрываются на отдельные атомы, а температура скачет вверх ногами: чем выше, тем горячее.

В раскалённой солнечной короне, где температура скачет за миллион градусов, плавают холодные плотные облака — солнечные протуберанцы. Они висят неделями, не падая и не растворяясь, словно айсберги в кипящем океане. Как они там оказались — вопрос, который мучил астрономов десятилетиями.

Нейтронная звезда — это стремительно вращающийся объект массой с Солнце, сжатый до размеров города, возникающий в результате взрыва сверхновой. Обычно её вращение постепенно замедляется, но иногда, без видимых причин, происходит внезапное ускорение — глитч.

В кастрюле с кипящей водой пузырьки пара всплывают и лопаются. В квантовом мире сверхтекучей жидкости пузырьки ведут себя иначе: они могут сталкиваться и рождать вихри — крошечные закрученные потоки, похожие на водовороты в реке. Учёные смоделировали такую жидкость с помощью голографического подхода.

В диске из газа и пыли вокруг молодой звезды частицы пыли ведут себя как песчинки в потоке воды: газ течёт быстрее, пыль отстаёт, и между ними возникает трение. Это трение способно раскачивать магнитные волны, которые бегут по диску. Галактика полна таких дисков — именно в них рождаются планеты.

В холодных облаках межзвёздного газа тянутся длинные плотные нити. В них, как в переполненных инкубаторах, зреют будущие звёзды. Долгое время считалось, что внутри таких нитей всё подчинено гравитации: вещество плавно стекается к центрам, где плотность растёт и в конце концов вспыхивает звезда. Но новые наблюдения показывают иную картину.

Молодые планетные системы похожи на оркестр, который только что начал репетицию: все музыканты стараются играть в одном ритме. Астрономы, наблюдая за ними через телескоп TESS, заметили, что планеты у молодых звёзд часто движутся синхронно — их орбиты выстроены так, что на каждые два оборота одной планеты приходится ровно один оборот другой.

Литий — как термометр, опущенный в недра звезды. Этот лёгкий элемент разрушается при температуре около 2,5 миллиона градусов, поэтому его количество на поверхности рассказывает, насколько глубоко перемешивалось вещество звезды.

Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) всё чаще обращает свой взор на экзопланеты — миры, вращающиеся вокруг далёких звёзд. Среди них встречаются раскалённые каменные шары, всегда обращённые к своему светилу одной стороной. На дневной стороне температура столь высока, что горные породы плавятся, образуя океаны жидкой лавы.

Молодая звезда HL Tau окружена диском из газа и пыли — колыбелью будущих планет. Внутри этого диска газ не стоит на месте: он движется по кругу, но при этом дрожит и перемешивается, как вода в бурной реке. Астрономы впервые напрямую измерили силу этого перемешивания.

В холодных окраинах Солнечной системы вода считается главным строительным материалом льдов. Но у некоторых комет и далёких ледяных тел соотношение угарного газа (CO) к воде необычно высокое — будто в мороженом вдруг оказалось слишком много сиропа. Откуда берётся такой перекос, попытались выяснить авторы новой работы.

В холодных газовых облаках, где рождаются звёзды-гиганты, всё кипит от движения. Газ сжимается, закручивается, дробится на сгустки — будущие звёзды. Долгое время считалось, что порядок здесь наводит магнитное поле: оно, как невидимые нити, вытягивает сгустки поперёк себя. Но новые наблюдения показали обратное. Астрономы навели радиотелескоп ALMA на 30 областей, где формируются массивные звёзды.

Планеты рождаются из пыли. В диске вокруг молодой звезды крошечные пылинки сталкиваются, слипаются и постепенно растут, как снежный ком, катящийся с горы. Но есть препятствие: газ в диске движется быстрее пыли и тормозит её, не давая собраться в крупные комки. Чтобы пыль всё же слипалась, её должно стать достаточно много.

В протопланетном диске — облаке газа и пыли вокруг молодой звезды — пылинки не просто летают по кругу. Они увлекаются газовым потоком, как песок ветром, и сами меняют этот поток. Возникают слои, скользящие друг относительно друга, и на их границе рождается неустойчивость — волны и вихри.

Пылинки в диске вокруг молодой звезды слипаются, растут и когда-нибудь станут планетами. Но чтобы понять, сколько материала для планет есть в каждом диске, нужно измерить его массу и размер. Прямо взвесить далёкое облако нельзя — приходится судить по излучению пыли. Астрономы натренировали нейросеть на тысячах моделей дисков, рассчитанных детальным компьютерным кодом.