ALMA раскрывает динамическую архитектуру диска вокруг Фомальгаута
Астрономы, использующие Атакамскую большую миллиметровую/субмиллиметровую решетку (ALMA), получили изображение (с самым высоким разрешением на сегодняшний день) диска обломков вокруг звезды Фомальгаут — одной из самых ярких и близких звезд, расположенной всего в 25 световых годах от Земли. Это открытие открывает новые горизонты в понимании структуры и эволюции экзопланетных систем, особенно в отношении формирования и динамики пылевых дисков, окружающих молодые звезды.
Фомальгаут — это звезда, привлекающая внимание исследователей уже несколько десятилетий благодаря своей яркости и наличию хорошо выраженного диска из космической пыли и обломков. Такие диски, известные как остаточные, формируются после завершения основной фазы звездообразования и представляют собой остатки протопланетного диска, в котором уже сформировались планеты или их зародыши. Они состоят из пыли, льда и каменистых тел, сталкивающихся между собой и порождающих мелкие частицы, которые можно наблюдать в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах. Диск Фомальгаута по своим масштабам значительно превосходит пояс астероидов в Солнечной системе и напоминает пояс Койпера, но еще более массивный и протяженный.
Особое внимание астрономов на протяжении почти двух десятилетий привлекала необычная форма этого диска — его значительная неравномерность, или эксцентриситет. Ранее считалось, что диск имеет фиксированный эксцентриситет, то есть его форма представляет собой вытянутое кольцо с постоянной степенью смещения относительно центра масс звезды. Однако новые наблюдения, проведенные с помощью ALMA на длине волны 1,3 мм, позволили получить беспрецедентно детализированное изображение диска и выявили более сложную картину.
Международная группа ученых под руководством специалистов из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики и Университета Джонса Хопкинса проанализировала эти данные и пришла к революционному выводу: эксцентриситет диска Фомальгаута не является постоянным, а меняется в зависимости от расстояния до звезды. Ближе к звезде диск более вытянут, то есть обладает высоким эксцентриситетом, но по мере удаления от Фомальгаута форма кольца становится все более круглой — эксцентриситет уменьшается. Такое явление получило название отрицательного градиента эксцентриситета. Это можно сравнить с кольцами Сатурна, если бы сама планета находилась не в центре колец, а смещенной в одну сторону, причем степень смещения зависела бы от радиуса колец.
Ведущий автор одного из исследований, Джошуа Беннетт Ловелл, подчеркнул, что это первое убедительное наблюдательное подтверждение подобного эффекта в остаточном диске. Ранее такие модели существовали только в теоретических построениях, предсказывающих, что массивные планеты, находящиеся внутри или вблизи диска, могут вызывать подобные динамические эффекты через гравитационное возмущение. Наблюдение отрицательного градиента эксцентриситета — это важный шаг к подтверждению таких теорий в реальных астрономических системах.
Команда разработала новую математическую модель, способную учитывать изменяющийся эксцентриситет, а также радиус, ширину и асимметрию диска. Эта модель гораздо точнее описывает данные ALMA, чем предыдущие подходы, основанные на предположении о постоянном эксцентриситете. Особенно показательными оказались расхождения в распределении яркости диска: данные ALMA и космического телескопа Джеймс Уэбб (JWST) показали, что максимум излучения смещается от ближайшей к звезде точки (перицентра) к наиболее удаленной (апоцентру), что невозможно объяснить без учета переменного эксцентриситета.
Джея Читтиди, аспирант Университета Джонса Хопкинса и руководитель второго исследования, отметил, что попытки объяснить наблюдаемые особенности с помощью старых моделей оказались безуспешными. Ни одна модель с фиксированным эксцентриситетом не могла воспроизвести как сдвиг яркости, так и изменение ширины кольца. Это указывает на необходимость более сложного подхода к анализу динамики таких систем. Сравнение старых и новых моделей позволяет не только лучше понять текущее состояние диска, но и восстановить историю формирования всей экзопланетной системы.
Наиболее правдоподобное объяснение наблюдаемого профиля эксцентриситета — наличие массивной невидимой планеты, вращающейся внутри диска или в его непосредственной близости. Эта планета, вероятно, сформировалась на ранних этапах эволюции системы, когда еще существовал протопланетный диск, и своей гравитацией повлияла на распределение материала, придав диску его уникальную форму. Более 400 миллионов лет — возраст системы Фомальгаут — гравитационное влияние этой планеты продолжает стабилизировать структуру диска, удерживая его в состоянии, при котором эксцентриситет постепенно уменьшается с расстоянием.
Таким образом, отрицательный градиент эксцентриситета может служить косвенным признаком существования скрытой планеты, которую пока не удалось обнаружить напрямую. Это особенно интересно, учитывая, что ранее предполагалось существование планеты Фомальгаут b, однако последующие наблюдения поставили под сомнение ее планетарную природу — возможно, это был не планетный объект, а обломочное облако или пылевое скопление.
Исследователи выражают надежду, что будущие наблюдения с помощью ALMA, которые уже одобрены, позволят получить еще более точные данные и, возможно, обнаружить саму планету, ответственную за формирование диска. Эти наблюдения могут включать долгосрочный мониторинг смещений в структуре диска, а также поиск слабых сигналов, указывающих на присутствие массивного тела.
Важно отметить, что команда опубликовала не только результаты своих наблюдений, но и программный код, использованный для построения новой модели эксцентриситета. Это делает исследование доступным для других астрономов, которые смогут применить аналогичный подход к анализу других осколочных дисков вокруг звезд. Такой открытый подход способствует развитию астрономии как науки, позволяя проверять и развивать новые идеи на основе общедоступных инструментов.