Первое прямое свидетельство амбиполярной диффузии: разгадан ключевой механизм формирования солнцеподобных звезд

Команда астрофизиков под руководством доцента Университета Кюсю Дорис Арзуманян и руководителя группы Института внеземной физики имени Макса Планка Сильвии Спеццано впервые зафиксировала явление амбиполярной диффузии в предзвездном ядре L1544. Исследование, опубликованное в журнале Astronomy & Astrophysics, подтверждает, что ослабление магнитной поддержки ядра за счет дрейфа нейтральных частиц относительно ионов запускает гравитационный коллапс, ведущий к рождению протозвезды. Открытие проливает свет на ключевые механизмы ранних этапов звездообразования и помогает понять, как формируются системы, подобные нашей Солнечной.

Звезды, подобные нашему Солнцу, рождаются не из пустоты, а из плотных и холодных газопылевых образований, которые астрономы называют предзвездными ядрами. Эти космические «коконы» удерживаются собственным тяготением, но их судьба зависит от тонкого баланса сил. Главный вопрос, который десятилетиями волновал исследователей, как именно магнитное поле, пронизывающее такие ядра, позволяет или мешает гравитации сжать материю до звездных плотностей. Если магнитное поле слишком сильно, оно действует как распорка, задерживая сжатие. Но в какой момент и каким образом эта «распорка» теряет свою жесткость?

Ответ на этот вопрос отчасти дают новые наблюдения, проведенные с помощью 30-метрового радиотелескопа IRAM, расположенного в испанских Пиренеях. Объектом изучения стало ядро L1544 в созвездии Тельца, одной из ближайших к Земле областей активного звездообразования. Именно там ученые впервые напрямую увидели процесс, который теоретически предсказывали давно, но никогда не наблюдали в действии: амбиполярную диффузию.

Суть этого явления связана с тем, что газ в молекулярных облаках частично ионизирован. Ионы сильно «сцеплены» с магнитным полем, а нейтральные молекулы взаимодействуют с полем только через столкновения с ионами. Пока плотность низкая, эти столкновения эффективны, и все частицы движутся синхронно.

Но по мере того как ядро уплотняется, оно все лучше экранируется от внешнего излучения, и уровень ионизации падает. Связь между нейтральными частицами и магнитным полем ослабевает. В итоге нейтральные молекулы начинают проскальзывать сквозь магнитное поле и под действием гравитации устремляются к центру быстрее, чем ионы, которые остаются «привязанными» к магнитным линиям.

Чтобы увидеть этот дрейф, исследователям пришлось проявить настоящую изобретательность. В сверххолодных недрах L1544 обычные молекулярные индикаторы, такие как угарный газ, вымерзают на пылевых зернах и становятся невидны для телескопов. Поэтому команда выбрала два экзотических зонда: ион диазенилий-д1 (N2D+) и нейтральную молекулу пара-монодейтерированного аммиака (para-NH2D). Оба этих соединения сохраняются в газовой фазе даже при самых низких температурах и населяют те же плотные области ядра.

Сравнивая спектральные линии этих двух молекул, астрономы обнаружили, что их скорости различаются примерно на 0,05 километра в секунду. Это может показаться ничтожной величиной, но в масштабах протозвездного ядра это отчетливый признак того, что нейтральный газ дрейфует относительно ионного. Иными словами, нейтральные частицы уже начали падать к центру быстрее, а ионы все еще удерживаются магнитным полем. Это и есть долгожданное наблюдательное подтверждение амбиполярной диффузии.

По мере того как этот процесс продолжается, магнитное поле в ядре постепенно слабеет, перестает сдерживать сжатие, и гравитация окончательно берет верх. Ядро коллапсирует, и в его центре зажигается новая звезда — протозвезда. Так рождаются будущие солнца.

Таким образом исследователям впервые удалось прямо измерить дрейф скоростей между ионами и нейтральными молекулами внутри предзвездного ядра, что стало бесспорным доказательством амбиполярной диффузии. Это открытие закрывает давний пробел в теории звездообразования и показывает, как именно магнитное поле перестает быть препятствием для гравитационного коллапса.

Полученные результаты не только уточняют сценарии рождения звезд, но и приближают нас к пониманию физических условий, в которых формируются планетные системы, а значит, и условий, потенциально благоприятных для возникновения жизни. Команда уже планирует новые наблюдения других ядер и более детальные карты скоростных полей, чтобы подтвердить и расширить эти выводы.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях