Гигантский поток газа наклонил планетообразующий диск в системе тройной звезды

Астрономы обнаружили необычную причину, которая могла изменить ориентацию формирующейся планетной системы. Вокруг молодой тройной звезды GW Orionis находится сложный диск из газа и пыли, состоящий из трёх колец, причём каждое из них ориентировано несколько иначе. Новые наблюдения показали, что внешнее кольцо взаимодействует с огромным потоком газа, поступающим из окружающего молекулярного облака.

Поток протянулся примерно на 0,2 светового года — около 1,9 триллиона километров. Он постепенно передаёт диску угловой момент и, судя по результатам моделирования, именно это взаимодействие могло привести к сильному наклону внешней части диска. Наблюдения выполнены с помощью радиоинтерферометра ALMA, способного исследовать холодный газ и пыль в областях рождения звёзд.

Открытие интересно не только необычным строением GW Orionis. Оно предлагает возможное объяснение одной из особенностей некоторых экзопланетных систем: их планеты могут обращаться вокруг своих звёзд по орбитам, сильно наклонённым относительно экваториальной плоскости звезды или других планет. Если подобные газовые потоки действительно часто встречаются в молодых звёздных системах, они способны влиять на архитектуру будущих планетных систем уже на самых ранних этапах их формирования.

GW Orionis: необычная система из трёх молодых звёзд

GW Orionis расположена примерно в 1300 световых годах от Земли в направлении созвездия Ориона. Это молодая система, звёзды которой ещё находятся на стадии формирования и сжатия. Они относятся к звёздам до главной последовательности — то есть ещё не начали устойчивое сжигание водорода в своих ядрах, характерное для зрелых звёзд.

Система особенно интересна тем, что в ней находятся сразу три звезды. Они окружены общим диском из газа и пыли, из которого потенциально могут формироваться планеты.

Наличие планетообразующего диска вокруг тройной системы само по себе является необычным явлением. Гравитационное взаимодействие нескольких звёзд значительно сложнее, чем в системе с одной звездой, подобной Солнцу. Их движение способно влиять на окружающий материал, менять структуру диска и создавать условия, которые отличаются от процессов в обычных одиночных звёздных системах.

Но GW Orionis выделяется ещё сильнее благодаря строению самого диска.

Три кольца, ориентированные под разными углами

Наблюдения показали, что диск вокруг GW Orionis не представляет собой единую плоскую структуру. Он разделён на три кольца, которые имеют разные ориентации.

Первое, внутреннее кольцо располагается примерно в 6,7 миллиарда километров от центра системы. Второе находится примерно в 28 миллиардах километров, а третье — примерно в 51 миллиарде километров.

Если сравнивать эти расстояния с Солнечной системой, внешнее кольцо находится гораздо дальше орбиты Нептуна. Оно является одним из крупнейших известных колец вокруг молодой звезды.

Главная особенность заключается не столько в размерах, сколько в геометрии. Три кольца не лежат в одной плоскости. Их орбиты взаимно наклонены, причём внешнее кольцо имеет особенно заметное смещение относительно остальных частей диска.

Для астрономов это стало важной загадкой. В обычной планетообразующей системе материал диска вращается преимущественно в одной плоскости. Именно из такого диска затем формируются планеты, поэтому ожидается, что их орбиты также будут близки к общей плоскости.

GW Orionis демонстрирует значительно более сложную картину.

Что могло наклонить внешний диск

До новых наблюдений одним из возможных объяснений считалось присутствие невидимой планеты-гиганта.

Предполагалось, что крупная планета могла сформироваться между средним и внешним кольцами, расчистить часть пространства вокруг своей орбиты и своим гравитационным воздействием постепенно изменить положение внешней части диска.

Такая гипотеза выглядела физически возможной, поскольку планеты действительно способны влиять на окружающий их газ и пыль.

Однако непосредственных свидетельств существования такой планеты не было.

Новые наблюдения показали другой механизм.

Астрономы обнаружили длинный поток газа, который тянется от окружающего молекулярного облака непосредственно к диску GW Orionis. Его направление и геометрия оказались особенно важными: поток приходит к внешнему кольцу под углом, хорошо согласующимся с его нынешней ориентацией.

Космическая «река» длиной 1,6 триллиона километров

Обнаруженный поток простирается примерно на 0,2 светового года. Это около 12 600 астрономических единиц, 1,9 триллиона километров или примерно 1,2 триллиона миль.

Для сравнения, одна астрономическая единица — это среднее расстояние от Земли до Солнца. Таким образом, протяжённость потока во много тысяч раз превышает расстояние между Землёй и Солнцем.

При этом сам поток не является твёрдым объектом или узкой трубой вещества. Это протяжённая структура холодного газа, движущегося из окружающего молекулярного облака в сторону формирующейся звёздной системы.

Слово «река» в данном случае является образным описанием. В астрофизическом смысле речь идёт о потоке вещества, который переносит массу и угловой момент из окружающей среды к формирующейся системе.

Как удалось увидеть невидимый поток

Основным инструментом исследования стал комплекс ALMA — Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, расположенный в Чили.

Наблюдения проводились на радиоволнах. Это особенно важно для исследования областей рождения звёзд, поскольку такие области часто окружены плотным холодным газом и пылью, которые затрудняют наблюдения в видимом диапазоне.

Основным компонентом потока является молекулярный водород. Однако молекулярный водород практически невозможно непосредственно обнаружить радиометодами, использованными для этой задачи.

Поэтому исследователи искали следы монооксида углерода — угарного газа, или CO. Его молекулы присутствуют в гораздо меньших количествах, но радиоизлучение определённых переходов CO позволяет проследить движение и распределение окружающего молекулярного газа.

Так удалось обнаружить структуру, связывающую окружающее молекулярное облако с внешней частью диска GW Orionis.

Поток не просто добавляет материал

Для формирования звёздных систем поступление газа извне само по себе не является чем-то неожиданным.

Молодая звезда растёт за счёт вещества, поступающего из окружающего облака. Газ постепенно направляется к центру формирующейся системы, а часть вещества может оседать в диске.

Но газ переносит не только массу.

У него есть угловой момент — физическая характеристика вращательного движения. Когда вещество падает в диск под определённым углом, оно может передавать ему свой угловой момент.

В результате ориентация вращающегося материала способна изменяться.

Именно этот процесс, согласно моделированию, и объясняет необычный наклон внешнего кольца GW Orionis. Поток поступает к диску под углом и взаимодействует преимущественно с его внешней частью, постепенно изменяя её ориентацию.

Почему внешнее кольцо оказалось особенно уязвимым

Диск GW Orionis имеет сложную структуру, и поток газа не воздействует одинаково на все его части.

Поступающий газ взаимодействует прежде всего с внешним кольцом. Моделирование показало, что угол, под которым поток входит в систему, близок к ориентации этого кольца.

Это важное совпадение.

Если поток действительно является причиной наблюдаемого наклона, он должен не просто находиться рядом с системой, а воздействовать на диск в правильном направлении. Именно это и было получено при моделировании движения газа.

Исследователи считают, что основной этап изменения ориентации внешнего кольца уже произошёл. Сейчас угловой момент самого потока меньше, чем у диска, поэтому он, вероятно, уже не способен изменить его положение так же эффективно, как на более раннем этапе.

Почему это открытие важно для понимания рождения планет

Планеты формируются внутри дисков газа и пыли вокруг молодых звёзд. Долгое время такой диск рассматривался как относительно упорядоченная структура.

В классической картине материал вращается вокруг звезды примерно в одной плоскости. По мере формирования планет их орбиты наследуют эту геометрию.

Именно так устроена Солнечная система.

Орбиты восьми планет расположены близко к одной общей плоскости, называемой плоскостью эклиптики. Она связана с первоначальным протопланетным диском, из которого сформировались Солнце и планеты.

Однако наблюдения экзопланет показали, что во Вселенной существуют значительно более необычные системы.

Некоторые планеты имеют сильно наклонённые орбиты. В отдельных случаях их движение даже происходит в направлении, противоположном вращению других компонентов системы.

До сих пор было необходимо объяснять такие конфигурации различными динамическими процессами после формирования планет.

GW Orionis предлагает другую возможность: необычная ориентация будущей планетной системы может возникнуть ещё до того, как планеты полностью сформируются.

Планеты могут получить «неправильную» ориентацию ещё до рождения

Если планета формируется внутри наклонённого участка диска, её первоначальная орбита будет соответствовать ориентации этого материала.

Это означает, что для получения сильно наклонённой планетной орбиты необязательно, чтобы уже сформировавшаяся планета позднее подверглась мощному гравитационному воздействию.

Сама среда, в которой она формируется, может с самого начала иметь необычную геометрию.

В случае GW Orionis поток газа способен изменить ориентацию внешней части диска, а формирующиеся в ней планеты потенциально унаследуют эту ориентацию.

Это пока не означает, что в GW Orionis уже обнаружены планеты с такими орбитами. Наблюдаемая структура является планетообразующим диском, а связь между его геометрией и будущими орбитами планет является следствием модели формирования системы.

Но механизм представляет интерес как возможное объяснение того, почему некоторые экзопланетные системы настолько отличаются от Солнечной.

Почему Солнечная система выглядит гораздо спокойнее

Солнечная система сформировалась вокруг одной звезды, а её протопланетный диск в целом представлял собой относительно плоскую структуру.

Планеты сформировались внутри этого диска и поэтому получили орбиты, близкие к общей плоскости.

В GW Orionis ситуация сложнее сразу по нескольким причинам.

Во-первых, в центре находятся три звезды.

Во-вторых, окружающий их диск имеет несколько колец с разными ориентациями.

В-третьих, система взаимодействует с внешним молекулярным облаком, из которого продолжает поступать газ.

Такая среда предоставляет гораздо больше возможностей для изменения направления вращения материала.

Поэтому GW Orionis представляет собой своеобразную лабораторию, позволяющую изучать процессы, которые невозможно увидеть непосредственно в Солнечной системе, поскольку основные события её формирования произошли около 4,6 миллиарда лет назад.

Звёзды тоже продолжают получать вещество из окружающего облака

Обнаруженный поток важен не только из-за его влияния на ориентацию диска.

Подобные потоки газа рассматриваются как один из механизмов, посредством которых молодые звёзды продолжают получать материал из окружающей среды.

Звезда рождается в плотной области молекулярного облака. Под действием гравитации газ начинает сжиматься, формируя центральное тело и окружающий его диск.

Однако процесс не заканчивается мгновенным появлением звезды. Материал из окружающего облака может продолжать поступать в систему.

Такие потоки называют стримерами. Они могут доставлять вещество непосредственно в молодые звёздные системы.

Теперь наблюдения GW Orionis показывают, что вместе с массой они могут переносить и значительный угловой момент.

Это означает, что внешняя среда способна влиять не только на количество материала, из которого формируется звезда и её планеты, но и на геометрию всей будущей системы.

Что происходило с потоком раньше

Современные характеристики обнаруженного потока отличаются от тех, которые он, вероятно, имел на более раннем этапе.

Сегодня его угловой момент меньше, чем у внешнего кольца диска. Это указывает на то, что процесс передачи углового момента уже существенно изменил состояние системы.

Исследователи считают, что в прошлом поток обладал большим угловым моментом. При попадании на диск он передал часть этого вращательного движения его внешней части.

В результате внешнее кольцо постепенно изменило ориентацию.

Сейчас поток уже не обладает таким же влиянием, какое имел ранее, поскольку его собственные характеристики изменились в ходе взаимодействия с диском.

Раньше в системе искали невидимую планету

Особенно интересным это открытие делает то, что оно позволяет пересмотреть прежнее объяснение структуры GW Orionis.

Разрыв между средним и внешним кольцами выглядел как возможный результат воздействия планеты-гиганта. Крупная планета, расположенная между кольцами, действительно могла бы очищать пространство вокруг своей орбиты и одновременно гравитационно воздействовать на внешний диск.

Однако новое наблюдение показало существование другого физического механизма, способного создавать сходный результат.

Это не означает, что наличие планеты в системе полностью исключено. Просто для объяснения наблюдаемого наклона больше не требуется предполагать невидимый объект в качестве единственной причины.

Обнаруженный поток предоставляет непосредственную физическую связь между внешней средой и необычной ориентацией диска.

Насколько универсален этот механизм

Здесь необходимо отделять установленный результат от более широких выводов.

Астрономы непосредственно обнаружили поток газа, связанный с GW Orionis, и показали при моделировании, что его воздействие может объяснить ориентацию внешнего кольца.

Но из одного объекта нельзя сделать вывод, что все наклонённые планетные системы формируются таким образом.

Для этого необходимо изучить гораздо больше молодых звёздных систем и выяснить, насколько часто вокруг них встречаются подобные потоки.

Если стримеры окажутся распространённым явлением, их роль в формировании архитектуры планетных систем может оказаться значительной.

Если же такие структуры встречаются редко, они могут объяснять лишь отдельные необычные системы.

Именно поэтому следующий этап исследований должен включать систематические наблюдения молодых звёзд.

Что астрономы хотят выяснить дальше

Исследователи планируют провести более широкий поиск стримеров вокруг молодых звёзд.

Главный вопрос заключается в статистике.

Необходимо установить, сколько молодых звёздных систем имеют длинные потоки газа, поступающие из окружающих молекулярных облаков. Затем эти данные можно сопоставить с геометрией их протопланетных дисков.

Если окажется, что сильно наклонённые диски часто соседствуют со стримерами, связь станет гораздо убедительнее.

Следующим шагом будет изучение того, насколько часто такие системы действительно формируют планеты с необычно наклонёнными орбитами.

Только после этого можно будет определить, является ли обнаруженный механизм редким исключением или одним из распространённых процессов рождения планет.

Почему ALMA особенно важен для таких исследований

Оптические телескопы прекрасно подходят для наблюдения звёзд и многих относительно горячих объектов, но значительная часть материала в областях звездообразования холодная и скрыта пылью.

Радиоастрономические наблюдения позволяют исследовать такие структуры иначе.

ALMA состоит из большого количества отдельных антенн, работающих совместно как интерферометр. Это позволяет получать высокое пространственное разрешение и изучать распределение холодного газа в молодых звёздных системах.

В случае GW Orionis именно радионаблюдения позволили обнаружить длинную структуру, которую было бы значительно сложнее исследовать непосредственно в видимом свете.

Наблюдения молекул CO стали своеобразным индикатором движения основного компонента потока — молекулярного водорода.

Планетные системы могут формироваться далеко не в идеальных условиях

GW Orionis показывает, насколько сложным может быть процесс формирования планет.

В упрощённой картине молодая звезда окружена диском, диск постепенно охлаждается, из пыли образуются планетезимали, а затем планеты.

Реальные системы могут развиваться значительно менее упорядоченно.

На них одновременно воздействуют гравитация нескольких звёзд, движение газа, столкновения частиц, магнитные процессы и поступление вещества из окружающего молекулярного облака.

Положение и ориентация диска также могут изменяться.

В результате конечная система способна сильно отличаться от исходной структуры, которая существовала в момент рождения звёзд.

Что открытие говорит о разнообразии экзопланет

С момента открытия первых экзопланет стало ясно, что Солнечная система не является универсальным образцом планетной архитектуры.

Астрономы находят горячие гиганты, суперземли, компактные системы из нескольких планет, планеты у двойных звёзд и объекты с необычными орбитами.

Теперь появляется ещё один возможный элемент этой картины: ориентация планетной системы может зависеть от внешнего газового окружения ещё во время её формирования.

Если молодая звезда получает вещество из разных направлений, поступающий газ способен менять ориентацию диска. Формирующиеся планеты в таком случае могут оказаться на орбитах, которые не совпадают с экватором звезды или орбитальными плоскостями других планет.

Это даёт естественное физическое объяснение части наблюдаемого разнообразия.

Важное отличие от поздней гравитационной перестройки

Наклон планетных орбит можно получить и после формирования планет. Например, на их движение могут влиять другие массивные тела.

Однако обнаруженный механизм действует значительно раньше — непосредственно на стадии формирования планетной системы.

Это принципиально важно.

Если геометрия будущего диска была изменена ещё до рождения планет, необычная ориентация становится частью исходных условий системы.

Планетам не обязательно проходить через последующую серию гравитационных столкновений или близких сближений, чтобы получить наклонённые орбиты.

В этом смысле газовый поток представляет собой более ранний этап формирования архитектуры системы.

GW Orionis как окно в прошлое Солнечной системы

Наблюдать формирование собственной Солнечной системы невозможно: этот процесс завершился миллиарды лет назад.

Но астрономы могут искать молодые системы, находящиеся на разных стадиях формирования, и использовать их как естественные лаборатории.

GW Orionis особенно ценна именно благодаря своей необычной конфигурации.

Здесь можно одновременно исследовать молодые звёзды, многокольцевой диск, поступление газа извне и механизмы изменения ориентации вещества.

Наблюдения подобных систем позволяют проверять модели, описывающие ранние этапы истории планетных систем, в том числе и нашей собственной.

Новая картина рождения планет

Обнаружение гигантского потока газа вокруг GW Orionis показывает, что планетная система не обязательно формируется в изолированном диске.

Окружающее молекулярное облако может продолжать поставлять вещество, а вместе с ним — угловой момент. В случае GW Orionis такой поток, судя по моделированию, способен изменить ориентацию внешней части диска и создать необычную геометрию ещё до завершения формирования планет.

Протяжённость структуры — около 0,2 светового года, или примерно 1,9 триллиона километров. При этом сам механизм чрезвычайно медленный по человеческим масштабам: речь идёт о процессах формирования звёздных систем, продолжающихся значительно дольше человеческой жизни.

Пока GW Orionis остаётся единственным конкретным примером, на котором показана такая связь. Поэтому делать вывод, что именно подобные потоки объясняют все наклонённые орбиты экзопланет, преждевременно. Для проверки гипотезы потребуется обследовать большое количество молодых звёздных систем.

Но уже сейчас наблюдения показывают важную вещь: необычная архитектура будущей планетной системы может определяться не только тем, что происходит непосредственно возле молодой звезды. Огромное количество газа, находящееся далеко за пределами формирующегося диска, способно влиять на его движение и ориентацию, передавая ему вещество и угловой момент.

Именно поэтому история планеты может начинаться задолго до появления самой планеты — в огромном молекулярном облаке, из которого её будущая звезда и планетная система получают строительный материал.

Источники:
Статья создана по материалам Space.com