Наблюдения с помощью инструмента SPHERE на Очень Большом Телескопе ESO позволили создать беспрецедентную галерею «дисков с космическим мусором» в экзопланетных системах.
Гаэль Шовен (Институт астрономии Общества Макса Планка), научный сотрудник проекта SPHERE и соавтор статьи, в которой опубликованы результаты, говорит: «Этот набор данных — астрономическое сокровище. Он позволяет получить исключительное представление о свойствах дисков с космическим мусором и сделать выводы о небольших телах, таких как астероиды и кометы в этих системах, которые невозможно наблюдать напрямую».
Исследование опубликовано в журнале Astronomy and Astrophysics.
В нашей Солнечной системе, если посмотреть за пределы Солнца, планет и карликовых планет вроде Плутона, можно увидеть огромное количество меньших («малых») тел. Особый интерес представляют крупные малые тела с диаметрами от километра до нескольких сотен километров. Мы называем эти объекты кометами, если они время от времени теряют газ и пыль, образуя характерные видимые структуры, такие как хвост, и астероидами, когда они этого не делают.
Малые тела дают представление о ранней истории Солнечной системы: в процессе эволюции от пылевых зёрен до полноценных планет малые тела, называемые планетезималями, являются переходной стадией, а астероиды и кометы — остатками этого этапа — планетезималями, которым не удалось превратиться в более крупные планеты.
На данный момент астрономы обнаружили более 6 000 экзопланет (то есть планет, вращающихся вокруг звёзд, отличных от Солнца), что даёт нам более полное представление о разнообразии планет и о месте нашей Солнечной системы в этой многочисленной популяции.
Однако получение реальных изображений таких планет — сложная задача. На данный момент астрономы смогли получить изображения менее чем 100 экзопланет, и даже гигантские планеты на таких изображениях выглядят не более чем бесформенными маленькими каплями.
«Найти какие-либо прямые признаки существования малых тел в далёкой планетной системе по изображениям кажется совершенно невозможным. Другие косвенные методы, используемые для обнаружения экзопланет, также не помогают», — говорит доктор Жульен Милли, астроном из Университета Гренобль-Альпы и соавтор исследования.
Решение, как ни странно, приходит от объектов, которые ещё меньше на порядки. В частности, в более молодых планетарных системах планетезимали будут регулярно сталкиваться — иногда слипаются, образуя более крупное тело, иногда расходятся. Эти столкновения создают огромное количество новой пыли, и эту пыль, оказывается, можно наблюдать на больших расстояниях при наличии подходящих инструментов.
Когда вы делите объект на более мелкие компоненты, общий объём остаётся прежним, но общая площадь поверхности увеличивается. Разделите астероид с диаметром в один километр на пылевые зёрна с диаметрами в один микрометр (= миллионная часть метра), и вы увеличите общую площадь поверхности в миллиард раз. Вот почему можно наблюдать диски с космическим мусором вокруг молодых звёзд по отражённому ими свету.
Со временем такой диск с космическим мусором будет исчезать. Столкновения станут реже. Пыль будет уноситься из системы под действием радиационного давления, захватываться планетезималями или планетами или попадать в центральную звезду.
Наша Солнечная система является примером того, что осталось после миллиардов лет: в этом случае осталось два пояса планетезималей, а именно пояс астероидов между Марсом и Юпитером и резервуар комет за орбитами гигантских планет, известный как пояс Койпера. Также в нашей Солнечной системе есть пыль, известная как зодиакальная пыль. Под очень тёмным небом вы сможете увидеть свет, отражённый этой пылью, невооружённым глазом вскоре после захода солнца или незадолго до восхода солнца, так называемый зодиакальный свет.
Эту конфигурацию было бы трудно обнаружить инопланетным астрономам, изучающим нашу Солнечную систему издалека. Но, как показало настоящее исследование, с помощью лучших современных телескопов и инструментов для не слишком далёких систем пыль должна быть наблюдаема в течение первых примерно 50 миллионов лет жизни диска с космическим мусором.
Инструмент SPHERE, который начал работать на одном из Очень Больших Телескопов ESO (VLT) весной 2014 года, превосходно справляется с этой задачей. В основе SPHERE лежит очень простая концепция: если мы хотим что-то рассмотреть в повседневной жизни, а солнце на заднем плане мешает, мы поднимаем руку, чтобы заблокировать солнечный свет. Когда SPHERE наблюдает экзопланету или диск с космическим мусором, он использует коронограф для блокировки света звезды — по сути, небольшой диск, вставленный в оптический тракт, который удаляет большую часть света звезды до того, как будет получено изображение.
Для получения коллекции исследователи обработали данные наблюдений 161 близлежащей молодой звезды, инфракрасное излучение которых убедительно указывает на наличие диска с космическим мусором. «В результате мы получили изображения 51 диска с космическим мусором с различными свойствами — некоторые меньше, некоторые больше, некоторые видны сбоку, а некоторые почти анфас — и значительное разнообразие структур дисков. Четыре диска ранее никогда не были сфотографированы», — говорит Наталья Энглер (ETH Zurich), ведущий автор исследования.
Сравнения в рамках более крупной выборки имеют решающее значение для обнаружения систематических закономерностей, лежащих в основе свойств объектов. В этом случае анализ 51 диска с космическим мусором и их звёзд подтвердил несколько систематических тенденций: когда молодая звезда более массивна, её диск с космическим мусором, как правило, также имеет большую массу. То же самое верно для дисков с космическим мусором, где большая часть материала расположена на большем расстоянии от центральной звезды.
Пожалуй, наиболее интересной особенностью дисков SPHERE являются структуры внутри самих дисков. На многих изображениях диски имеют концентрическую кольцевую или полосчатую структуру, при этом материал диска преимущественно находится на определённых расстояниях от центральной звезды. Распределение малых тел в нашей Солнечной системе имеет аналогичную структуру, с малыми телами, сконцентрированными в поясе астероидов (астероиды) и поясе Койпера (кометы).
Все эти структуры поясов, по-видимому, связаны с наличием планет, в частности гигантских планет, очищающих свои окрестности от более мелких тел. Некоторые из гигантских планет уже были обнаружены. На некоторых изображениях SPHERE такие особенности, как резкие внутренние края или асимметрия дисков, дают заманчивые намёки на пока ещё ненаблюдаемые планеты.
Таким образом, коллекция дисков SPHERE ставит интересные цели для будущих наблюдений: космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) или строящийся в настоящее время Чрезвычайно Большой Телескоп (ELT) должны позволить астрономам получить изображения планет, создающих эти структуры.
Предоставлено Обществом Макса Планка.