Космический телескоп James Webb обнаружил воду и богатую кислородом пыль вокруг необычной стареющей звезды, расположенной всего примерно в 0,55 светового года от сверхмассивной черной дыры Стрелец A* в центре Млечного Пути. Наблюдения показывают, что даже в одном из наиболее экстремальных регионов нашей Галактики звезда способна активно выбрасывать вещество в окружающее пространство, а пыль и молекулярный материал могут формироваться и сохраняться вопреки мощному воздействию окружающей среды.
Объект IRS 3 давно выделялся среди звезд в центральной области Млечного Пути своим ярким инфракрасным излучением и огромной пылевой оболочкой. Однако его химическая природа оставалась не до конца понятной. Предыдущие наблюдения допускали, что звезда может быть богата углеродом. Новые данные JWST показали другую картину: IRS 3 является кислородно-богатой эволюционировавшей звездой, находящейся на позднем этапе своей жизни.
Особенно важным результатом стало первое четкое обнаружение воды в окружающей звезду оболочке. Это показывает, что молекулярное вещество способно существовать на удивительно малом расстоянии от сверхмассивной черной дыры.
Необычная звезда рядом с центром Галактики
В центре Млечного Пути находится сверхмассивная черная дыра Стрелец A*. Ее масса составляет около четырех миллионов масс Солнца. Она окружена чрезвычайно плотной и динамичной областью, где находятся многочисленные звезды, газ и пыль.
IRS 3 расположена всего примерно в 0,55 светового года от Стрельца A*. Для космических масштабов это очень небольшое расстояние.
В обычной картине галактического центра такая близость означает крайне жесткие условия. Звезда подвергается воздействию интенсивного излучения и находится внутри сложной среды, где газ и пыль постоянно перемещаются, нагреваются и взаимодействуют с окружающим веществом.
Тем не менее IRS 3 продолжает терять массу. Материал, выбрасываемый звездой, формирует вокруг нее протяженную оболочку.
Именно эту оболочку удалось подробно исследовать с помощью James Webb.
IRS 3 находится на позднем этапе звездной эволюции
IRS 3 относится к звездам, находящимся на асимптотической ветви гигантов — поздней стадии эволюции звезд определенного типа.
На этом этапе звезда становится огромной по размерам, сравнительно холодной по температуре поверхности и очень яркой. Ее внешние слои постепенно теряются под воздействием мощного звездного ветра.
Материал, выброшенный такой звездой, не исчезает.
Газ и пыль распространяются в межзвездном пространстве. В галактиках именно подобные процессы являются одним из источников тяжелых элементов и пылевых частиц, которые впоследствии могут участвовать в формировании новых звездных систем.
Поэтому поздние стадии жизни звезд имеют значение далеко за пределами судьбы конкретной звезды. Они являются частью общего цикла вещества в галактике.
IRS 3 особенно интересна тем, что находится в непосредственной близости от сверхмассивной черной дыры. Возникает естественный вопрос: способен ли звездный ветер в такой среде сохранять пыль и молекулы или экстремальное воздействие галактического центра должно разрушать их?
Наблюдения JWST показывают, что по крайней мере в случае IRS 3 этот процесс продолжается.
James Webb изменил представление о химическом составе IRS 3
Одним из наиболее важных результатов наблюдений стало определение химического характера пыли вокруг звезды.
JWST использовал прибор MIRI — Mid-Infrared Instrument, предназначенный для наблюдений в среднем инфракрасном диапазоне.
Инфракрасное излучение особенно важно для изучения пыли. Пылевые частицы поглощают энергию и нагреваются, после чего сами излучают в инфракрасном диапазоне. По характерным особенностям спектра можно определить, какие вещества присутствуют в оболочке звезды.
В данных IRS 3 обнаружены две выраженные инфракрасные особенности, связанные с силикатной пылью.
Силикаты — это минералы, содержащие кремний и кислород. Их присутствие показывает, что окружающая звезду пыль имеет кислородно-богатый состав.
Таким образом, IRS 3 оказалась не углеродной, как предполагали некоторые предыдущие исследования, а кислородно-богатой эволюционировавшей звездой.
Это важное уточнение, потому что химический состав вещества, выбрасываемого звездой, связан с процессами, происходящими в ее атмосфере и внутренних слоях.
Почему состав звездной пыли имеет значение
Пыль во Вселенной — не просто загрязнение межзвездного пространства.
Она играет важную роль в формировании звезд и планет. Пылевые частицы поглощают и рассеивают излучение, участвуют в химических реакциях и могут становиться строительным материалом для более крупных частиц.
В протопланетных дисках пыль постепенно объединяется, формируя более крупные тела, из которых в дальнейшем могут образовываться планетезимали и планеты.
Поэтому каждый процесс, который добавляет пыль в межзвездную среду, влияет на дальнейший круговорот вещества в галактике.
Стареющие звезды являются одним из важных источников космической пыли. Они выбрасывают наружу материал, сформированный или переработанный внутри звезды.
Наблюдение IRS 3 показывает, что такой процесс может происходить даже в непосредственной близости от сверхмассивной черной дыры.
Вокруг IRS 3 обнаружили воду
Еще более неожиданным результатом стало обнаружение воды.
В спектре окружающей звезду оболочки JWST выявил признаки молекулярной воды. Для IRS 3 это первое четкое обнаружение воды такого рода.
Вода представляет собой особенно интересный компонент, поскольку молекулы могут разрушаться под воздействием интенсивного излучения.
Центр Млечного Пути — не спокойная область. Там находятся сверхмассивная черная дыра, горячий газ, мощные источники излучения и большое количество высокоэнергичных процессов.
Поэтому наличие воды в оболочке звезды показывает, что молекулярное вещество способно сохраняться даже в такой среде.
Это не означает, что вокруг IRS 3 существует среда, пригодная для жизни. Вода обнаружена как компонент звездной оболочки, а не как свидетельство существования обитаемой планеты.
Значение результата заключается в другом: он показывает устойчивость молекулярной материи в экстремальной среде галактического центра.
Пыль вокруг звезды имеет слоистую структуру
Исследователи не ограничились определением химического состава вещества.
Они также попытались восстановить структуру окружающей IRS 3 оболочки.
Для этого спектральные данные JWST сравнили с моделями распространения излучения через различные варианты пылевой оболочки.
Результат показывает слоистое, напоминающее систему оболочек распределение пыли, простирающееся примерно на 10 000 астрономических единиц от звезды.
Астрономическая единица — это среднее расстояние между Землей и Солнцем. Таким образом, оболочка IRS 3 имеет колоссальные размеры по сравнению с самой звездой и планетными системами.
При этом температура пыли сильно меняется с расстоянием.
Вблизи звезды она достигает примерно 1200 кельвинов, а во внешних областях снижается примерно до 100 кельвинов.
Получается своеобразная температурная структура: горячая внутренняя область постепенно переходит в значительно более холодные внешние слои.
Что происходит с веществом по мере удаления от звезды
Такое распределение можно объяснить обычным воздействием излучения звезды.
Вблизи IRS 3 пылевые частицы получают большое количество энергии и нагреваются.
По мере удаления поток излучения уменьшается, поэтому температура пыли падает.
Это позволяет астрономам изучать оболочку не как однородное облако, а как структуру с различными физическими условиями на разных расстояниях.
Спектр содержит информацию о составе вещества, а температурное распределение помогает понять его пространственное расположение.
Объединение этих данных дает гораздо более полную картину процесса потери массы звездой.
Как стареющая звезда производит космическую пыль
На асимптотической ветви гигантов звезда интенсивно теряет внешнее вещество.
Звездный ветер уносит газ от поверхности. В относительно холодных областях вокруг звезды часть элементов может объединяться в молекулы и твердые частицы.
Так постепенно формируется пылевая оболочка.
В случае кислородно-богатой звезды значительная часть кислорода связана с такими соединениями, как силикаты.
Поэтому обнаружение силикатной пыли вокруг IRS 3 согласуется с тем, что звезда активно выбрасывает кислородно-богатое вещество.
Этот материал затем покидает окрестности звезды и смешивается с окружающей межзвездной средой.
Почему близость к Стрельцу A* делает открытие важным
Если бы IRS 3 находилась в спокойном районе Млечного Пути, обнаружение пыли и воды вокруг нее само по себе не было бы столь неожиданным.
Но звезда расположена практически в самом центре Галактики.
Стрелец A* окружен экстремальной средой, поэтому ученые не были уверены, смогут ли такие звезды нормально производить и сохранять пыль.
Мощное излучение способно нагревать и разрушать материал. Высокоэнергичные процессы в галактическом центре воздействуют на газ и пылевые частицы.
Тем не менее IRS 3 продолжает активно обогащать окружающее пространство веществом.
Получается, что влияние сверхмассивной черной дыры не полностью подавляет способность эволюционировавшей звезды возвращать материал в межзвездную среду.
Звезда находится всего в 0,55 светового года от черной дыры
Расстояние в 0,55 светового года может показаться огромным.
Для человеческих масштабов это действительно невероятно большое расстояние. Свет проходит его примерно за половину года.
Но для центра галактики это сравнительно небольшая дистанция.
В центральной области Млечного Пути на таком расстоянии находятся многочисленные звезды и другие объекты, движущиеся в сильном гравитационном поле сверхмассивной черной дыры.
IRS 3 существует в этой среде уже длительное время и продолжает проходить позднюю стадию звездной эволюции.
Исследователи оценивают ее возраст примерно в 72 миллиона лет, а массу — примерно в шесть солнечных масс.
Эти характеристики помогают понять, почему звезда уже достигла стадии асимптотической ветви гигантов.
IRS 3 не находится в непосредственной опасности быть поглощенной черной дырой
Близость к сверхмассивной черной дыре не означает автоматически, что звезда вот-вот упадет в нее.
Черные дыры не обладают каким-либо особым механизмом, который заставляет находящиеся рядом звезды немедленно двигаться к горизонту событий.
Звезды могут устойчиво обращаться вокруг сверхмассивной черной дыры.
Для IRS 3 главным вопросом является не неминуемое падение в Стрелец A*, а воздействие окружающей среды на ее собственное вещество.
Именно это воздействие оказалось менее разрушительным, чем можно было предположить.
Звезда продолжает терять массу и создавать пылевую оболочку, несмотря на нахождение в сложной и высокоэнергичной области галактического центра.
Почему раньше IRS 3 могли считать углеродной звездой
До наблюдений JWST химический состав объекта определялся по менее полным данным.
IRS 3 давно была известна как один из самых ярких источников среднего инфракрасного излучения в центре Млечного Пути. Ее окружает большая пылевая оболочка, что делало ее интересной целью для изучения.
Однако определить состав пыли по ограниченному набору данных трудно.
Разные вещества оставляют различные спектральные признаки, но для надежной идентификации необходимы качественные спектры с достаточным спектральным покрытием.
MIRI позволил получить непрерывный спектр IRS 3 в среднем инфракрасном диапазоне. Именно это дало возможность обнаружить характерные признаки силикатной пыли и уточнить химическую природу объекта.
Таким образом, JWST не просто сделал более четкую картинку звезды. Он позволил определить состав вещества вокруг нее.
Что дает инфракрасная астрономия
Видимый свет далеко не всегда является лучшим способом изучения космической пыли.
Пылевые облака могут эффективно поглощать видимое излучение. Поэтому объекты, скрытые за большим количеством пыли, становятся очень тусклыми или вообще невидимыми в оптическом диапазоне.
Инфракрасное излучение проходит через пылевые области значительно эффективнее.
Кроме того, нагретая пыль сама излучает в инфракрасном диапазоне. Поэтому инфракрасные телескопы могут изучать не только звезды, но и непосредственно окружающий их пылевой материал.
Именно поэтому JWST особенно полезен для наблюдений центра Млечного Пути.
Стрелец A* и окружающие его объекты находятся за плотными областями межзвездной пыли, которые значительно затрудняют наблюдения в видимом свете.
Инфракрасный диапазон позволяет проникнуть значительно глубже в эту область.
MIRI увидел то, что было трудно определить раньше
В исследовании использовался прибор MIRI — один из двух основных научных инструментов JWST, работающих в инфракрасном диапазоне.
MIRI предназначен для наблюдений на более длинных инфракрасных волнах, чем NIRCam, и особенно хорошо подходит для изучения относительно холодных объектов, пыли, молекул и некоторых особенностей атмосфер.
В случае IRS 3 это оказалось критически важным.
Пыль вокруг звезды обладает собственной температурой и поэтому излучает в среднем инфракрасном диапазоне. Различные минералы создают характерные спектральные особенности.
По этим признакам исследователи смогли определить наличие силикатов.
Кроме того, спектр позволил обнаружить воду.
Это пример того, как спектроскопия дает информацию, которую невозможно получить только по обычному изображению.
Почему силикатная пыль связана с кислородом
Силикаты являются минералами, основу которых составляют соединения кремния и кислорода.
В космической пыли они встречаются очень широко.
На Земле силикатные минералы составляют значительную часть земной коры, но в космосе они существуют в виде чрезвычайно мелких пылевых частиц.
Когда такие частицы находятся вокруг звезды, они поглощают ее излучение и нагреваются.
Их присутствие можно обнаружить по характерным особенностям инфракрасного спектра.
У IRS 3 были обнаружены две сильные спектральные особенности, связанные с силикатной пылью. Именно они стали одним из главных свидетельств кислородно-богатой природы звезды.
Вода переживает суровую среду
Особенно интересна судьба воды.
Молекулы воды в межзвездной среде могут находиться в разных состояниях. Они способны присутствовать в газовой фазе или быть связаны с поверхностями пылевых частиц в виде льда.
В непосредственной близости от горячей звезды условия существенно отличаются от холодных внешних областей.
Внутренняя часть оболочки IRS 3 имеет температуру порядка 1200 кельвинов, поэтому вода там не может существовать в виде обычного льда.
Обнаружение воды в окружающей оболочке связано с молекулярным веществом, присутствующим в более подходящих для его сохранения условиях.
Сам факт обнаружения показывает, что молекулярный материал не был полностью уничтожен жестким излучением галактического центра.
Это важная информация для понимания химии вещества вокруг стареющих звезд в экстремальных средах.
Звездный ветер возвращает вещество в галактику
Жизненный цикл звезды не заканчивается только ее превращением в конечный компактный объект или взрывом.
Массивные и промежуточные по массе звезды на поздних стадиях могут возвращать значительную часть вещества в межзвездную среду.
У IRS 3 этот процесс наблюдается непосредственно.
Звезда выбрасывает наружу газ и пыль, формируя протяженную оболочку.
В дальнейшем этот материал может перемешиваться с окружающим газом.
Уже после смерти звезды ее вещество не исчезает из галактики. Оно становится частью общего резервуара межзвездной материи.
Впоследствии из этого вещества могут формироваться новые звезды и планетные системы.
Поэтому наблюдение IRS 3 фактически позволяет увидеть один из этапов галактического круговорота вещества.
Центр Млечного Пути может производить пыль активнее, чем считалось
Полученный результат имеет значение не только для одной звезды.
Если другие эволюционировавшие звезды в центральной области Галактики также способны эффективно производить пыль, они могут вносить существенный вклад в пылевой бюджет галактического центра.
Ранее экстремальные условия в этой области заставляли предполагать, что процессы образования и сохранения пыли могут быть сильно ограничены.
Наблюдения IRS 3 показывают, что по крайней мере часть таких процессов продолжает работать.
Это не означает, что пыль в центре Млечного Пути в целом образуется без каких-либо ограничений.
Речь идет о более точном выводе: эволюционировавшие звезды способны сохранять активное производство пыли даже в непосредственной близости от сверхмассивной черной дыры.
Почему открытие важно для истории вещества во Вселенной
Пыль является одним из ключевых компонентов космической среды.
Она участвует в охлаждении газа, химических реакциях и формировании звездных систем.
Особенно важно, что тяжелые элементы, из которых состоят пылевые частицы, не появились в самом начале существования Вселенной.
Ранние звезды формировались преимущественно из водорода и гелия с небольшим количеством других элементов.
Тяжелые элементы создавались внутри звезд и затем возвращались в космическое пространство.
Поздние поколения звезд и планет формировались уже из вещества, которое прошло через предыдущие поколения звезд.
Поэтому наблюдение того, как стареющая звезда выбрасывает кислородно-богатую пыль, помогает изучать механизм обогащения галактик тяжелыми элементами.
IRS 3 — своеобразная фабрика вещества в центре Галактики
Можно рассматривать IRS 3 как естественный источник материала для окружающей среды.
Звезда уже прошла большую часть своего жизненного пути. Теперь она интенсивно теряет массу.
Вместе с газом наружу уходят пылевые частицы и молекулы.
JWST позволяет наблюдать не только саму звезду, но и последствия этого процесса — огромную оболочку, окружающую ее на расстояниях до 10 000 астрономических единиц.
При этом оболочка имеет сложную структуру и широкий диапазон температур.
Внутренние области горячие, внешние — значительно холоднее.
Внутри присутствуют силикатная пыль и вода.
Получается достаточно подробная картина того, как вещество покидает стареющую звезду и постепенно оказывается в окружающем пространстве.
Что еще предстоит выяснить
Новые наблюдения не отвечают на все вопросы о IRS 3.
В частности, необходимо лучше понять историю звезды и причины ее необычного положения в непосредственной близости от Стрельца A*.
Исследователи также должны определить, насколько типичным является обнаруженное поведение для других эволюционировавших звезд галактического центра.
Если подобные объекты также демонстрируют кислородно-богатую пыль и молекулярную воду, это будет означать, что производство и сохранение вещества широко распространено даже в экстремальной среде.
Если же IRS 3 окажется исключением, потребуется выяснить, какие особенности именно этой звезды позволяют ей сохранять пылевую и молекулярную оболочку.
Для решения таких вопросов необходимы дополнительные инфракрасные наблюдения.
JWST снова показывает, насколько сложным является центр Млечного Пути
Центральная область нашей Галактики остается одной из наиболее интересных целей современной астрономии.
Здесь находится сверхмассивная черная дыра, плотное скопление звезд, горячий газ, пыль и множество источников излучения.
До сих пор считалось, что такая среда может серьезно ограничивать способность звезд создавать и сохранять пылевое вещество.
IRS 3 показывает более сложную картину.
Даже находясь всего в 0,55 светового года от Стрельца A*, звезда продолжает интенсивно терять массу. Ее оболочка содержит кислородно-богатую силикатную пыль, а также воду. Общая пылевая структура простирается примерно на 10 000 астрономических единиц, причем температура вещества меняется от около 1200 кельвинов во внутренних областях до примерно 100 кельвинов на периферии.
Для астрономии это важный результат: галактический центр оказался не настолько разрушительным для звездного вещества, как можно было ожидать.
Звезда продолжает обогащать пространство несмотря на черную дыру
Самое интересное в наблюдениях IRS 3 заключается в сочетании двух обстоятельств.
С одной стороны, звезда находится на поздней стадии эволюции и активно выбрасывает вещество. Это обычный для подобных звезд процесс.
С другой стороны, она находится в крайне необычном окружении — рядом со сверхмассивной черной дырой в центре Млечного Пути.
Несмотря на это, вокруг нее сохраняется сложная оболочка из пыли и молекулярного материала.
James Webb впервые позволил достаточно подробно определить химический состав этой оболочки и обнаружить воду.
Таким образом, астрономы получили прямое свидетельство того, что стареющие звезды могут продолжать снабжать галактический центр новым веществом даже в условиях сильного излучения и гравитационного воздействия.
Это означает, что звезды в центре Млечного Пути не просто существуют рядом со сверхмассивной черной дырой. Они продолжают активно участвовать в переработке вещества своей галактики, возвращая в окружающее пространство газ, пыль и молекулы, из которых в далеком будущем могут сформироваться новые космические структуры.
Источники:
Статья создана по материалам Phys.Org
