Астрономы впервые увидели структуру диска вокруг массивной протозвезды

10:30, 28 февраля 2023

Это поможет понять, как рождаются звезды и эволюционируют галактики

Международной группе ученых, в составе которой два астрофизика Уральского федерального университета, впервые удалось увидеть структуру аккреционного диска массивной протозвезды (G358-MM1). Описание и характеристики структуры, содержащей четыре спиральных рукава, астрономы опубликовали в журнале Nature Astronomy.

Сведения о структуре диска массивной звезды (в восемь и более раз массивнее Солнца) приближают астрономов к ответу, как рождаются звезды большой массы. На сегодня это доподлинно неизвестно ни для одной массивной звезды (на стадии формирования такие объекты называют «протозвезда»). Понимание процесса важно, так как массивные звезды играют решающую роль в эволюции галактик. Они как особого рода фабрики производят множество необходимых строительных блоков для жизни Вселенной, изменяют внешний вид и влияют на эволюцию галактик. Оказывают огромное влияние на окружающую среду через процессы обратной связи — мощные истечения, звездные ветры, ионизующее излучение, взрывы сверхновых, порождают космические лучи высоких энергий и образование целых скоплений других звезд. Самые массивные звезды после смерти становятся черными дырами.

«До сих пор нам не была известна структура аккреционных дисков массивных протозвезд, — говорит соавтор исследования, ведущий научный сотрудник Коуровской астрономической обсерватории УрФУ Андрей Соболев. — Сейчас же мы приблизились к пониманию этого процесса. По сути нам удалось увидеть и доказать, что диск вокруг массивной протозвезды имеет структуру четырех спиральных рукавов, вдоль которых вещество падает на звезду».

В целом наблюдения показали, что дисковая аккреция немонотонная, с яркими эпизодическими всплесками. По спиральным образованиям вещество переносится во внутреннюю область диска, откуда оно падает непосредственно на звезду.

«Диск G358-MM1 имеет четыре спиральных рукава, красиво обвивающих протозвезду. Спиральные рукава помогают донести вещество диска к внутреннему радиусу системы, откуда оно может достичь протозвезды и питать ее. Поскольку у протозвезды G358-MM1 уже наблюдались всплески роста, открытие спиральной неустойчивости помогает связать неустойчивость диска с процессом образования звезд большой массы. Эта связь предполагалась в теоретических гипотезах много лет назад, но до сих пор не была подтверждена наблюдениями», — рассказывает руководитель исследования, сотрудник Национальной астрономической обсерватории Японии (National Astronomical Observatory of Japan) Росс Бёрнс.

Для исследования команда астрономов использовала новый метод «картирования волн возбуждения», при котором вспышка излучения звезды сканировала вещество диска, вызывая вспышки метанольных мазеров. Такие вспышки, связанные с падением вещества на звезду, зарегистрировать крайне сложно. Потому что, во-первых, по сравнению с звездами малой массы, массивных протозвезд относительно немного. Во-вторых, они находятся на расстоянии в тысячи световых лет от Земли. И, в-третьих, инструменты для наблюдения вспышек таких звезд появились недавно. Поэтому, поясняет Андрей Соболев, на сегодня достоверно подтверждено только пять вспышек такой природы, первая из которых зарегистрирована в 2015 году.

Исследовать структуру аккреционного диска массивной протозвезды G358-MM1 астрономам удалось с помощью международной организации Maser Monitoring Organization (M2O). На телескопах они наблюдали мазеры — усилители радиоизлучения за счет процессов вынужденного излучения. В окрестностях образующихся массивных звезд некоторые квантовые переходы молекул работают как мазеры и заставляют эти объекты светиться в тысячи, миллионы и даже триллионы раз ярче на некоторых радиочастотах. Яркое космическое мазерное излучение может возникать в молекулярных облаках и атмосферах звезд. По словам Соболева, крайне важно было то, что при наблюдениях мазеров ученые смогли определить не только положение сгустков вещества, но и скорости их движения.

Напомним, на исследования космических мазеров в областях образования массивных звезд группа исследователей под руководством Андрея Соболева с российской стороны и Щи Чен — с китайской в начале 2020 года получила поддержку Российского фонда фундаментальных исследований и Государственного фонда естественных наук Китая.

Участие в исследовании приняли астрономы из 21 страны. Для получения изображений, которые опубликованы в журнале, использованы 24 радиотелескопа, распределенных по всей Земле. Эти данные анализировали команды трех центров обработки данных на трех континентах.

«Для обработки полученных данных потребовались усилия и усердие более 150 человек, которые редко упоминаются в публикациях. Мы хотим выразить нашу искреннюю благодарность этим людям и надеемся на продолжение рабочих отношений с ними в будущем», — добавляет Росс Бёрнс.

Справка

С развитием телескопов у ученых появляется возможность видеть места рождения массивных звезд более подробно. На сегодня астрономы выяснили, что массивные звезды формируются в центрах вращающихся газо-пылевых дисков, чьи размеры измеряются в сотнях и тысячах астрономических единиц (то есть во много раз больше расстояния, на котором Земля вращается вокруг Солнца). Однако, несмотря на важность таких звезд во Вселенной, процесс рождения массивных звезд неясен: как вещество диска питает протозвезду — оставалось загадкой на протяжении многих десятилетий.