Астрономы получили необычно подробный снимок одного из самых ранних этапов формирования массивной двойной звезды. Система IRAS 07299−1651 находится примерно в 5300–5500 световых годах от Земли и состоит из двух молодых массивных протозвёзд, которые всё ещё продолжают расти, поглощая окружающий газ и пыль.
Наблюдения продолжались почти восемь лет. За это время исследователям удалось зарегистрировать движение обеих протозвёзд относительно друг друга и восстановить трёхмерную геометрию системы. Результат оказался неожиданным: звёзды движутся по сильно вытянутой орбите, а окружающие их газовые диски имеют разные наклоны и не совпадают с плоскостью орбиты.
Такая конфигурация плохо соответствует сценарию, в котором две звезды формируются одновременно внутри одного общего вращающегося диска. Наблюдения гораздо лучше согласуются с другой картиной: протозвёзды могли первоначально возникнуть независимо в разных плотных областях газового облака, а затем сблизиться во время гравитационного взаимодействия и оказаться связанными в двойную систему.
По расчётам, наиболее подходящие варианты орбиты близки к параболической, а нынешнее расстояние между звёздами составляет около 200 астрономических единиц. Для части предпочтительных орбит ближайшее сближение произошло всего примерно 60 лет до момента наблюдений. Это очень короткий срок по астрономическим меркам и означает, что исследователям удалось изучить систему практически сразу после предполагаемого формирования двойной связи.
Почему рождение массивных двойных звёзд остаётся сложной задачей
Звёзды далеко не всегда рождаются в одиночестве. Особенно часто компаньоны встречаются у самых массивных звёзд. По современным оценкам, не менее 90% массивных звёзд могут находиться в двойных или более сложных кратных системах. Поэтому механизм образования таких систем имеет большое значение для понимания последующей эволюции звёзд.
Массивная двойная система — это не просто два объекта, находящихся рядом. Гравитационное взаимодействие компаньонов определяет их орбиты, скорость роста, обмен веществом и дальнейшую эволюцию. Впоследствии массивные звёзды могут закончить жизнь мощными взрывами сверхновых, а их взаимодействие способно влиять на свойства окружающей среды и распределение тяжёлых элементов в космосе.
Проблема заключается в том, что большинство известных массивных двойных систем уже давно сформировались. Наблюдая взрослые звёзды, можно достаточно точно измерить их современные орбиты, но значительно сложнее определить, каким именно образом эти системы возникли миллионы лет назад.
Поэтому особенно ценны наблюдения объектов, которые ещё находятся внутри родительского газового облака и продолжают набирать массу. В таком случае астрономы могут изучать не только результат формирования двойной системы, но и сам процесс её сборки.
Какие механизмы образования двойных систем рассматриваются
Одним из возможных механизмов является фрагментация протопланетного или околозвёздного диска. В этом случае первоначально формируется звезда, окружённая вращающимся диском газа и пыли. При определённых условиях часть диска может стать гравитационно неустойчивой и отделиться, сформировав второго компаньона.
Другой вариант связан с фрагментацией самого плотного ядра молекулярного облака. Коллапсирующая область газа может разделиться на несколько отдельных сгустков, каждый из которых начинает формировать собственную протозвезду. Такой процесс способен приводить к образованию двойных систем с более широкими орбитами.
Существует и третий вариант, при котором звёзды первоначально формируются независимо, а затем сближаются в плотной звёздной среде. Гравитационное взаимодействие может изменить их траектории, а при подходящих условиях две звезды могут оказаться гравитационно связанными.
Именно различение этих сценариев стало основной задачей исследования IRAS 07299−1651. Для этого было недостаточно просто увидеть две молодые звезды рядом. Нужно было определить их движение, ориентацию окружающих дисков и направление выбрасываемых струй вещества.
IRAS 07299−1651: две звезды, которые ещё продолжают расти
Система IRAS 07299−1651 расположена в области активного звездообразования. Обе звезды находятся на стадии протозвёзд — они ещё не завершили процесс формирования и продолжают получать вещество из окружающей среды.
Это принципиально отличает объект от большинства хорошо изученных двойных звёзд. Здесь исследователи наблюдают не сформировавшуюся систему, а два массивных объекта в процессе роста.
Окружающий материал частично скрывает протозвёзды от обычного оптического наблюдения. Поэтому для изучения системы потребовалось объединить данные разных диапазонов электромагнитного излучения. Радионаблюдения позволили исследовать холодный и более плотный газ, а инфракрасные наблюдения помогли проследить структуру системы и направления струй вещества.
Почему предыдущие наблюдения давали другую картину
Систему впервые подробно исследовали с помощью ALMA ещё в 2019 году. Полученные тогда данные в целом соответствовали распространённому сценарию, согласно которому две массивные звезды могли сформироваться из одного крупного вращающегося диска.
Однако уже тогда обнаружилась проблема: диски вокруг двух протозвёзд, судя по наблюдениям, были заметно разориентированы относительно друг друга.
Если две звезды образуются в одном вращающемся диске, естественно ожидать, что их собственные диски и вращение будут в значительной степени связаны с исходной геометрией. Поэтому обнаруженная разница в ориентации требовала более подробного исследования.
Главным недостающим элементом было движение звёзд. Чтобы понять историю системы, необходимо было не только определить направление дисков, но и установить, по какой орбите звёзды действительно движутся.
Восемь лет наблюдений позволили восстановить движение звёзд
Исследователи использовали многолетние наблюдения ALMA, чтобы измерять чрезвычайно небольшие изменения положения двух протозвёзд на небе. За почти восемь лет эти изменения накопились настолько, что их удалось использовать для реконструкции относительного движения компонентов системы.
К радионаблюдениям ALMA добавили данные Very Large Array. Инфракрасные изображения, полученные космическим телескопом James Webb и наземным Very Large Telescope, дали дополнительную информацию о структуре системы и направлениях струй вещества.
Такое объединение данных было особенно важно потому, что разные наблюдения измеряли разные характеристики одной и той же системы. Радиодиапазон позволял исследовать газ и движение компонентов, а инфракрасные наблюдения помогали определить пространственную ориентацию дисков и джетов. В совокупности эти данные позволили восстановить трёхмерную архитектуру системы.
Что именно удалось восстановить
Исследователи смогли определить не только положение двух протозвёзд, но и их относительное орбитальное движение. Это позволило перейти от простой картины «две звезды рядом» к пространственной модели системы.
Одновременно были определены ориентации околозвёздных дисков и направлений биполярных струй. Джеты особенно полезны в таких исследованиях, поскольку их направление связано с ориентацией вращающейся области вокруг молодой звезды.
В результате появилась согласованная трёхмерная картина: две протозвезды движутся по сильно вытянутой орбите, а их диски ориентированы под значительными углами друг к другу и к орбитальной плоскости.
Орбита оказалась необычно вытянутой
Одной из наиболее важных особенностей системы стала её орбита. Исследования показывают, что предпочтительные решения являются высокоэксцентричными и близкими к параболическим.
Для обычной наглядной картины двойной звезды проще всего представить почти круговое движение двух объектов вокруг общего центра масс. Однако в IRAS 07299−1651 наблюдаемая геометрия совершенно иная.
При сильно вытянутой орбите расстояние между звёздами значительно меняется в течение одного обращения. Они проводят большую часть времени на удалённых участках траектории и значительно сближаются вблизи точки наибольшего приближения.
Именно такая орбита стала одним из главных аргументов в пользу необычной истории системы. Она плохо сочетается с простой картиной, в которой две звезды спокойно сформировались как связанные компоненты одного вращающегося диска.
Нынешнее расстояние между звёздами составляет около 200 астрономических единиц
Сейчас компоненты системы разделяет примерно 200 астрономических единиц. Это примерно в 200 раз больше среднего расстояния между Землёй и Солнцем.
Однако нынешнее расстояние не следует воспринимать как постоянную величину. Из-за вытянутой орбиты расстояние между протозвёздами существенно меняется, и особенно важным является их недавнее тесное сближение.
Модель не говорит о том, что звёзды физически столкнулись. Речь идёт о тесном гравитационном прохождении, во время которого их траектории могли существенно измениться и две первоначально независимые протозвёзды могли оказаться в связанном состоянии.
Диски вокруг звёзд оказались сильно разориентированы
Другой ключевой особенностью системы стали диски газа вокруг каждой протозвезды.
Оба диска имеют собственные направления вращения, но их плоскости не совпадают друг с другом. Кроме того, оба диска заметно наклонены относительно плоскости орбиты двойной системы.
Это важная деталь, потому что ориентация диска сохраняет информацию о процессе формирования звезды. Если две протозвезды формируются одновременно внутри одного общего вращающегося диска, их угловые моменты и связанные с ними структуры должны иметь определённую взаимную связь.
Сильная разориентация не является абсолютным доказательством того, что звёзды родились независимо. Однако вместе с необычной орбитой и другими наблюдаемыми свойствами системы она делает сценарий общего диска значительно менее естественным.
Джеты помогли определить ориентацию молодых звёзд
Молодые звёзды активно взаимодействуют с окружающим веществом и могут выбрасывать вдоль своих полюсов узкие струи газа — джеты. Их направление связано с ориентацией вращающейся области вокруг протозвезды.
В данном исследовании инфракрасные наблюдения позволили обнаружить такие струи и определить их направления в пространстве. Это стало дополнительным способом понять, как ориентированы две протозвезды и окружающие их диски.
Именно объединение орбитального движения, дисков и джетов сделало возможной полноценную трёхмерную реконструкцию системы. Без такой совокупности данных было бы гораздо труднее отличить один сценарий формирования от другого.
Почему исследователи отвернулись от сценария общего диска
Полученная конфигурация содержит сразу несколько особенностей, которые трудно согласовать с образованием двух звёзд из одного вращающегося диска.
Во-первых, орбита сильно вытянута и близка к параболической. Во-вторых, диски двух протозвёзд сильно разориентированы относительно друг друга. В-третьих, сами диски заметно наклонены относительно орбитальной плоскости.
Кроме того, исследователи не обнаружили ожидаемого для определённых вариантов совместного формирования общего околобинарного диска. В совокупности эти свойства значительно хуже согласуются с простой моделью фрагментации единого диска.
Это не означает, что фрагментация дисков вообще не может создавать массивные двойные звёзды. Такой механизм остаётся одним из рассматриваемых способов формирования двойных систем. Речь идёт именно о том, что для конкретной системы IRAS 07299−1651 наблюдаемые свойства требуют другого объяснения.
Как могла сформироваться эта двойная система
Наиболее подходящая интерпретация предполагает, что две протозвезды первоначально формировались независимо. Каждая возникла в собственной плотной области газа, а их начальные состояния не были частью единой компактной двойной системы.
Затем эти области сблизились. Гравитационное взаимодействие во время тесного прохождения изменило движение объектов. При подходящей траектории две протозвезды могли перейти в состояние, в котором их связывает общая гравитационная орбита.
Такой сценарий называют формированием через сближение или «слияние ядер» в контексте эволюции звёздных ядер. Здесь слово «слияние» не означает столкновение двух звёзд. Речь идёт о сближении и гравитационном взаимодействии двух формирующихся звёздных ядер, после которого протозвёзды становятся частью одной двойной системы.
Именно этот сценарий естественным образом объясняет необычную комбинацию орбиты и наклонов дисков. Если звёзды первоначально формировались отдельно, каждая могла сохранить собственную ориентацию вращения. Последующее тесное сближение изменило их орбитальное движение, но не обязательно уничтожило уже сформировавшиеся околозвёздные диски.
Предполагаемое сближение могло произойти всего около 60 лет назад
Особенно интересна временная оценка. Для некоторых предпочтительных орбитальных решений ближайшее сближение двух протозвёзд произошло примерно за 60 лет до наблюдений.
На человеческом масштабе это кажется большим сроком, но для звёздной эволюции несколько десятилетий — практически мгновение. Даже по сравнению с периодами формирования звёзд это исключительно короткий интервал.
Поэтому исследователи получили редкую возможность наблюдать систему вскоре после события, которое могло превратить две независимо формировавшиеся протозвезды в двойную систему.
При этом важно учитывать неопределённость орбитальной реконструкции. Оценка в 60 лет относится к представительному варианту решения и не означает, что момент формирования двойной системы известен с такой точностью как установленный факт. Наиболее надёжный результат заключается в том, что система имеет высокоэксцентричную орбиту, близкую к параболической, а её свойства согласуются с недавним тесным гравитационным взаимодействием.
Двойная система может быть ещё не окончательно связанной
Есть ещё одна важная оговорка. Исследователи не утверждают, что окончательная судьба системы уже известна.
Предпочтительные орбитальные решения находятся близко к границе между связанным и несвязанным движением. Это означает, что при некоторых вариантах параметров две протозвезды остаются гравитационно связанными, а при других система может в будущем распасться.
Дополнительное влияние оказывает окружающий газ. Протозвёзды всё ещё находятся в плотной среде и продолжают взаимодействовать с веществом вокруг них. Поэтому дальнейшая аккреция и гравитационное взаимодействие с окружающей средой способны изменить их движение.
Следовательно, обнаруженная система представляет собой не обязательно уже полностью сформировавшуюся устойчивую двойную звезду, а очень раннюю стадию её возможного формирования. Будущие наблюдения должны помочь определить, сохранится ли гравитационная связь между компонентами.
Почему этот результат важен для теории рождения массивных звёзд
Формирование массивных звёзд само по себе остаётся сложной задачей. Такие звёзды быстро набирают массу и сильно воздействуют на окружающий газ, поэтому процессы их рождения отличаются от формирования звёзд небольшой массы.
Если большинство массивных звёзд действительно рождается в двойных и кратных системах, необходимо понимать, каким образом эти системы возникают и как меняются на самых ранних стадиях.
IRAS 07299−1651 показывает, что по крайней мере некоторые массивные двойные системы могут формироваться не в результате спокойного совместного рождения двух компонентов внутри одного диска. Гравитационное сближение первоначально независимых протозвёзд также может играть важную роль.
Это расширяет набор механизмов, которые необходимо учитывать при моделировании звездообразования. При этом одно наблюдение не позволяет определить, насколько часто именно такой сценарий реализуется во Вселенной. Для этого потребуется исследовать больше молодых массивных двойных систем и определить, насколько часто у них встречаются сходные орбиты и разориентированные диски.
Наблюдения молодых систем особенно ценны
У взрослых двойных звёзд уже практически невозможно непосредственно восстановить историю их рождения. Их нынешние орбиты являются результатом длительной эволюции, а первоначальные газовые диски давно исчезли.
Молодые протозвёзды предоставляют гораздо больше информации. В них ещё сохраняются газовые диски, продолжается аккреция, присутствуют джеты, а сама система ещё может находиться в процессе изменения орбиты.
Именно поэтому многолетние наблюдения подобных объектов имеют особое значение. Измеряя положение протозвёзд с течением времени, можно непосредственно получать информацию об их движении, а не пытаться реконструировать далёкое прошлое по свойствам уже сформировавшейся системы.
Почему потребовались сразу четыре крупных обсерватории
Ни один из использованных инструментов не дал полной картины самостоятельно.
ALMA обеспечил высокоточные наблюдения в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах и позволил отслеживать положение компонентов, структуру газа и кинематику дисков. Very Large Array дополнил радиоданные на более длинных волнах.
James Webb позволил исследовать систему в инфракрасном диапазоне, где молодые звёзды и связанные с ними структуры видны сквозь значительную часть окружающей пылевой среды. Very Large Telescope также предоставил инфракрасные данные, в частности для изучения джетов.
В результате получилась своеобразная комбинация измерений: орбитальное движение показало, как звёзды перемещаются; газовые линии дали информацию о вращении вещества; диски рассказали об ориентации околозвёздных структур; джеты помогли определить пространственные направления. Только объединение этих сведений позволило восстановить трёхмерную конфигурацию.
Что нового удалось узнать о формировании двойных звёзд
Главное значение наблюдений IRAS 07299−1651 заключается не просто в обнаружении ещё одной молодой двойной системы. Исследователи получили возможность изучить её пространственную структуру и движение на стадии, когда обе звезды ещё формируются.
Наблюдаемая система отличается сразу несколькими особенностями: сильной вытянутостью орбиты, близостью орбитального решения к параболическому пределу, значительным наклоном дисков относительно орбиты и друг друга, а также отсутствием признаков, ожидаемых при простом сценарии совместного формирования из одного диска.
Эти свойства согласуются с картиной, в которой две протозвезды начали формироваться независимо, а затем сблизились и оказались гравитационно связанными. Для некоторых моделей такое тесное взаимодействие произошло лишь несколько десятилетий назад.
При этом исследование не означает, что все массивные двойные звёзды образуются именно таким способом. Фрагментация дисков, фрагментация плотных ядер и другие механизмы остаются частью общей картины звездообразования. Результат показывает, что гравитационные встречи между независимо формирующимися протозвёздами могут быть ещё одним важным каналом образования массивных двойных систем.
Молодая двойная звезда показывает, насколько динамичным бывает рождение звёзд
Формирование звезды часто представляют как относительно последовательный процесс: газовое облако сжимается, возникает протозвезда, вокруг неё формируется диск, а затем объект постепенно превращается в полноценную звезду. Однако наблюдения IRAS 07299−1651 показывают, что в плотной области звездообразования происходящее может быть значительно сложнее.
Две протозвезды могут начать жизнь независимо друг от друга, а затем оказаться на траекториях, приводящих их к тесному гравитационному взаимодействию. При этом каждая из них может сохранить собственный околозвёздный диск со своей ориентацией. Последующее движение уже определяется не только исходным вращением газа, но и гравитацией двух объектов, окружающей среды и всей области звездообразования.
Особенно важно, что это не только теоретическая модель. Многолетние наблюдения позволили измерить собственное относительное движение двух формирующихся звёзд и использовать его для реконструкции орбиты. Именно такая непосредственная информация делает систему IRAS 07299−1651 ценным объектом для проверки моделей рождения массивных двойных звёзд.
Дальнейшие наблюдения покажут, останутся ли две протозвезды связанными и насколько их орбита будет изменяться под воздействием окружающего газа. Кроме того, наблюдение других молодых массивных двойных систем позволит определить, является ли подобное гравитационное сближение редким исключением или одним из регулярно работающих механизмов формирования звёздных пар.
Пока наиболее важный результат состоит в другом: астрономам удалось получить редкий трёхмерный взгляд на массивную двойную систему непосредственно в процессе её формирования. Две звезды, которые ещё продолжают расти, движутся по необычно вытянутой орбите, их диски сильно разориентированы, а вся конфигурация указывает на недавнее гравитационное взаимодействие. Это даёт возможность изучать не только уже сформировавшиеся двойные звёзды, но и сам момент, когда такие системы приобретают свою будущую архитектуру.
Источники:
Статья создана по материалам UniverseToday.com
