Загадочный свет вокруг новообразованной звезды, и что астрономы думают о нём

Инфракрасное изображение двойной звезды CS Хамелеона с недавно открытым компаньоном (обведён пунктиром). Компаньон уникален среди всех открытых нами, и, вероятно, обладает собственным пылевым диском

В нашей Вселенной очень сложно расти. В великом гравитационном танце космоса побеждают обычно наикрупнейшие и наиболее массивные «зародыши» тел: они притягивают всё больше и больше материи, имеющейся поблизости. В молекулярном облаке, где формируются звёзды, обычно получается так, что комки наибольшей массы вырастают в звёзды, а оставшаяся масса сплющивается в диск. В этом диске формируются меньшие комки, вырастая в планеты, луны и другие ледяные и скалистые тела.

В наблюдении за протопланетным диском, окружающим молодую звезду, находится ключ к раскрытию процесса формирования планет. В 600 световых годах от нас есть звезда CS Хамелеона, расположенная в небольшом южном созвездии Хамелеона – это двойная звёзда малой массы, находящаяся в процессе формирования. Учёные в поисках планет наткнулись на нечто, чего они не видели ранее. Мы всё ещё изучаем этот вопрос, но может оказаться так, что мы наблюдаем рождение коричневого карлика: недоразвитой звезды.

Пылевые регионы, сквозь которые не может проникнуть взор оптических телескопов, прозрачны для инфракрасных телескопов, таких, как VLT + SPHERE, или HAWK-I Европейской южной обсерватории, с которого получено это изображение. Инфракрасный диапазон прекрасно демонстрирует места формирования новых и будущих звёзд, где плотность пыли, блокирующей видимый свет, наибольшая

У любого молекулярного облака газа достаточно большой массы есть потенциал формирования новой звезды. Если облако охлаждается достаточно, оно начинает сжиматься, и наибольшие изначальные несовершенства притягивают большую часть материи. CS Хамелеона – одна из таких недавно рождённых систем, центральный регион которой состоит из двойной звёзды, находящейся в процессе формирования. Звезду окружает пылевой диск: именно то, что мы ожидали увидеть вокруг формирующейся звёздной системы. Используя инструмент SPHERE с Очень большого телескопа в Чили, учёные измерили систему, её диск, и окружающую их материю в деталях. Они искали новые планеты, но нашли нечто даже ещё лучшее, чем недавно появившаяся планета.

Молодая звезда 2MASS J16281370-2431391 окружена диском из газа и пыли, видимым почти с ребра: протопланетным диском. С момента открытия 2MASS мы обнаружили множество таких объектов, и рассмотрели их гораздо детальнее

Обычно от звезды исходит неполяризованный свет: электрические и магнитные поля света ориентированы случайным образом. Когда свет отражается от чего-то, он становится поляризованным. Поэтому звёздный свет не имеет поляризации, а свет, отражённый от протопланетного диска, должен быть поляризован. А возле этого диска в инфракрасном диапазоне учёные разглядели ещё один небольшой объект. Согласно новой работе, которую должны опубликовать в журнале Astronomy & Astrophysics, у этого объекта яркость как раз такая, что он может быть либо планетой, либо коричневым карликом малой массы. А сюрприз же состоит в том, что свет от этого объекта, который должен испускать собственное неполяризованное излучение, оказался всё-таки поляризованным.

Инфракрасное изображение двойной звезды и недавно открытого компаньона, видимое через специальные поляризационные фильтры, делающие видимыми пылевой диск и экзопланеты. У компаньона, кажется, имеется свой собственный пылевой диск

Если бы это был газовый гигант или коричневый карлик, то свет мог быть бы немного поляризованным: на уровне порядка 1%. Астрономы давно искали подобные сигналы в такого рода системах, но безуспешно. Впервые признак поляризации был обнаружен вокруг такого крохотного компаньона. Но уровень поляризации был равен вовсе не 1%, как можно было бы ожидать. Вместо этого он был буквально астрономическим: невероятные, беспрецедентные 14%! Во Вселенной есть очень, очень мало объектов, способных выдавать такую поляризацию, поэтому команде, работающей над этим под управлением Кристиана Гински, необходимо действовать очень осторожно.

Попеременное сравнение инфракрасного и поляризованного света, где видно невероятно высокое количество поляризации, исходящего от компаньона, двигающегося по орбите в двойной системе

Одна из сразу пришедших в голову идей – это может быть не настоящий компаньон системы, а удалённая галактика, испускающая свет высокой поляризации. Активные галактики с активно поглощающими материю сверхмассивными чёрными дырами переваривают материю и выплёвывают чрезвычайно энергетические релятивистские струи; их уровень поляризации может достичь такого уровня. Но команда Гински исследовала эту возможность, обратившись к более старым данным, полученным много лет назад телескопом Хаббла, чтобы посмотреть, можно ли найти в них признак наличия такого компаньона. И хотя ничего такого не было найдено, на фото с Хаббла иногда попадаются досадные дифракционные лучи, присущие ему из-за его конструкции. И хотя в недалёком будущем у нас будет телескоп без таких особенностей, сегодня нам приходится использовать сложные технологии обработки для их удаления. Они так и сделали – и, гляньте-ка, действительно нашли такого компаньона.

CS Хамелеона сфотографировал Хаббл, и характерные дифракционные лучи, мягко говоря, затрудняющие идентификацию двойного компаньона. Но применив соответствующие техники, можно вычесть эти лучи, и увидеть этого компаньона

Если бы это был фоновый объект, много лет назад он не находился бы на том же самом месте, на котором находится сейчас, благодаря собственному движению звезды по небу. Поэтому этот тусклый шарик света с высокой поляризацией действительно оказался компаньоном CS Хамелеона. Что это означает? Согласно самому Гински:

Наиболее интересным оказывается то, что свет компаньона сильно поляризован. Такое предпочтительное направление поляризации обычно появляется, когда свет рассеивается по пути его следования. Мы подозреваем, что компаньон окружён своим собственным пылевым диском. Хитрость в том, что диск блокирует большую часть света, поэтому мы с трудом можем определить массу компаньона.

Интересно, что данные не только говорят о том, что у компаньона есть свой собственный диск, но и что этот диск не параллелен диску основной двойной звезды!

Инфографика двойной звезды CS Хамелеона и окружающего её двойного диска (слева) с недавно открытым компаньоном (справа). Компаньон расположен более чем в 214 раз дальше от двойной звезды, чем Земля от Солнца, но, очевидно, относится к этой системе. Вся система находится примерно в 165 парсеках (538 световых годах) от Земли.

Чтобы воспроизвести получаемые нами данные, диск должен быть расположен к нам практически ребром. Что странно, поскольку диск основной двойной системы CS Хамелеона наклонён к нам где-то между положениями «ребром» и «плоскостью». Такое отсутствие выравнивания мы видели уже не раз – мы уже встречали пылевые и непараллельные двойные и тройные системы. Но Мы впервые обнаружили поляризованного компаньона вне одного из этих протопланетных дисков! Поскольку его пылевой диск блокирует так много света, нам очень сложно определить массу компаньона. Принадлежит ли он к планетам класса Юпитера? Супер-юпитера? Или, как считают авторы, это коричневый карлик малой массы: недоразвитая звезда? Наличие пылевого диска вокруг компаньона почти определённо означает, что, чем бы он ни являлся, в будущем он получит своих собственных компаньонов!

Коричневые карлики, от 13 до 80 масс Юпитера, будут превращать дейтерий + дейтерий в гелий-3 или тритий, и оставаться примерно такого же размера, как Юпитер, только приобретать гораздо большую массу. Текущий компаньон CS Хамелеона может иметь массу от нескольких масс Юпитера до 20 таких масс. На рисунке Солнце дано не в масштабе, оно было бы во много раз больше.

Мы не уверены, что верно оцениваем возраст системы в 2-3 млн лет, и не уверены, что она уже закончила своё формирование. Инструмент SPHERE, имеющийся у Очень большого телескопа, достиг своих пределов в инфракрасной астрономии, но если перейти на большие длины волн и другие обсерватории, мы сможем это выяснить. Поэтому команда планирует последующие наблюдения при помощи телескопа ALMA.

Atacama Large Millimeter submillimeter Array (ALMA) – один из наиболее мощных радиотелескопов Земли. Они способны измерять длинноволновые сигналы атомов, молекул и ионов, недоступные телескопам, работающим с менее длинными волнами, таким, как Хаббл. Также они способны детально измерять характеристики протопланетных систем, которые не видны даже инфракрасным телескопам.

При рассмотрении подобных систем возникает целый ворох дополнительных вопросов. Растёт ли масса компаньона? Меняется ли во времени испускаемый им свет? Формируются ли в диске основной двойной звезды планеты? Будет ли со временем меняться процент поляризации? Главный диск двойной звезды заканчивается примерно на расстоянии, равном расстоянию от Солнца до афелия Плутона, но дополнительный компаньон находится на расстоянии в десять раз большем. И, как заключают авторы работы:

Мы обнаружили, что полученный набор наблюдений лучше всего объясняет потухший коричневый карлик малой массы (≈ 20 масс Юпитера) или планета большой массы, окружённая нераспавшимся диском.

Может оказаться, что мы впервые наблюдаем субзвёздную или планетарную систему в процессе формирования: версию Юпитера и юпитерианских лун в увеличенном масштабе. Получая дополнительную информацию по этой конкретной системе и по другим, на неё похожим, мы встаём на путь точного понимания того, как формируются, развиваются и растут звёздные системы этой Вселенной. Удивительное время для того, чтобы смотреть в небо!