четвер, 25 липня 2013 р.

Заметки о протозвёздах и планетах

В июле 2013 года в немецком городе Гейдельберге прошла 6-я конференция «Протозвёзды и планеты» (PPVI) — самый крупный всемирный форум специалистов по означенной теме. 

1.

За неделю сделано около сорока обзорных докладов и представлено больше шестисот стендовых. Первая половина конференции формально посвящена протозвёздам, вторая — протопланетам, однако на самом деле круг вопросов вынужденно оказывается более широким, ибо ситуация не только по сравнению с PPI, но и по сравнению с PPV изменилась очень сильно. Я не хочу сказать, что представления о формировании звёзд и планет кардинально пересматриваются каждые несколько лет, но как со стороны теории, так и со стороны наблюдений происходят серьёзные уточнения.

Главными событиями последних лет, безусловно, являются результаты работы «Спитцера» и «Гершеля». В частности, два этих инструмента позволили поставить на фактическую основу мысль, которая постепенно вырисовывалась на протяжении десятилетия: ни образование звёзд, ни образование планет не являются изолированными процессами. Иными словами, особенности планетной системы определяются предшествующей эволюцией протозвезды, эволюция протозвезды зависит от свойств родительского газопылевого облака, а облик родительского облака формируется в результате действия процессов, охватывающих значительную часть или даже всю межзвёздную среду галактики.

Поэтому на конференции PPVI гораздо больше внимания по сравнению с PPV было уделено не только индивидуальным протозвёздам и планетам, но и общей картине, в частности ответу на вопрос, почему вообще происходит звездообразование (ЗО) и почему оно может не происходить. Даже в наших близких окрестностях, например, мы видим такие разные области звездообразования, как облака в Тельце и Орионе. В первом случае наблюдается вялотекущее рождение звёзд малой массы, находящихся относительно далеко друг от друга. Во второй области рождаются не только маломассивные звёзды, но и те, что по массе в десятки раз превосходят Солнце, причём не поодиночке, а в скоплениях. И это далеко не предельные случаи. На небе можно увидеть облака, в которых ЗО вообще практически нет, несмотря на наличие исходного сырья (газа), а также области, где рождение звёзд происходит с интенсивностью, далеко превосходящей Орион.

Процесс звездообразования, особенно на больших расстояниях, выдаёт себя мощным инфракрасным излучением пыли, разогретой молодыми звёздами. Поэтому большой статистический материал о рождении звёзд накоплен в последние годы именно благодаря инструментам инфракрасного диапазона. И из этого материала вытекает, что необходимым условием для ЗО является, во-первых, наличие молекулярного (не атомарного) водорода, а во-вторых, достижение некоторой пороговой плотности газа. Если плотность ниже пороговой, звездообразования нет. Если она превышена, в газе начинают рождаться звёзды — тем интенсивнее, чем сильнее превышен порог.

В образовании звёзд просматривается определённая структура. Одной из характерных черт распределения вещества в молекулярных облаках, определённого при помощи «Гершеля», является иерархическая волокнистая структура. Именно в этих волокнах и формируются звёзды, причём тоже не во всех. Среди них, как и глобально среди облаков, выделяются «фертильные» и «стерильные» волокна. В целом возникает вывод о том, что ЗО является двухэтапным (как минимум) процессом: сначала в облаке формируются волокна, а потом в результате фрагментации волокон появляются протозвёздные сгустки.

Такая волокнистая структура, в общем-то, ожидаема. В последние годы популярна турбулентная модель звездообразования, согласно которой звёзды рождаются в местах столкновения турбулентных течений. В численных моделях турбулентных молекулярных облаков волокна образуются без проблем — правда, пока свойства (в том числе статистические) модельных протозвёзд в этих моделях не слишком сходятся с наблюдениями. В частности, реальный процесс ЗО очень неэффективен; в типичном молекулярном облаке в звёзды переходит от силы 5% массы, тогда как обычные турбулентные расчёты дают эффективность, измеряемую десятками процентов.

Чтобы решить эту проблему, в модели нужно вводить дополнительную физику. На докладах PPVI интересно было видеть, как в расчёты звездообразования постепенно возвращается магнитное поле. Оно доминировало в качестве дирижёра ЗО в моделях, существовавших до конца 1990-х годов, но потом его вытеснила турбулентность — до такой степени, что всего несколько лет назад широко принималась возможность полностью пренебрегать магнитным полем в областях ЗО. Ан нет, нельзя: магнитное поле всё-таки оказывается важным фактором подавления звездообразования, так что его необходимо учитывать, как бы это ни усложняло жизнь теоретикам.

Впрочем, это не самое страшное из необходимых усовершенствований численных моделей областей ЗО. Есть и более сложный фактор — feedback, обратная связь. Фрагментация вещества молекулярного облака приводит к появлению новых звёзд; энергетика этих звёзд начинает оказывать обратное влияние на эволюцию облака. Одним из элементов обратной связи, возможно, являются джеты — выбросы вещества из протозвёзд, точнее, из их окрестностей. Когда протозвезда ещё добирает на себя остатки протозвёздного вещества, его часть почему-то (вероятно, тут тоже не обходится без магнитного поля) не падает на протозвезду, а, наоборот, улетает от неё, фокусируясь в узкие струи, основание которых измеряется десятками астрономических единиц (если не меньше), а длина составляет иногда десятки тысяч астрономических единиц. Включить этот процесс в модель молекулярного облака очень сложно из-за громадной разницы пространственных масштабов.

Тем не менее учёт обратной связи стал важным новым трендом в моделях областей ЗО. Дело в том, что джеты выносят обратно в облако значительную кинетическую энергию, которая может, например, играть важную роль в поддержании турбулентности. Кроме того, энергию в облако возвращают и другие факторы — скажем, мощное излучение молодых звёзд и звёздный ветер. Их совокупным действием также объясняется низкая эффективность звездообразования: первые же родившиеся в облаке звёзды нагревают его и развеивают в окружающем пространстве.

Впрочем, энергетическое воздействие молодых звёзд необязательно препятствует ЗО; оно может и способствовать ему. Если, например, излучение массивной звезды сожмёт окружающее вещество до плотности выше критической, в этом веществе может начаться вторичное, стимулированное звездообразование. Правда, докладчик по этой теме (Джона Балли) был настроен скептически и сказал, что этот режим ЗО объясняет появление едва ли одной пятой всех рождающихся звёзд, по крайней мере в нашей Галактике.

Большие трудности и по сей день связаны с попытками описать и пронаблюдать сокровенный момент превращения газопылевого сгустка молекулярного облака в индивидуальную звезду. Здесь наблюдается интересная ситуация. Обилие планетных систем говорит о том, что образование звезды практически неминуемо сопровождается появлением околозвёздного диска. Так вот, оказывается, что добавление в модель ЗО магнитного поля подавляет не только образование «лишних» звёзд. Оно также мешает формироваться дискам. И что с этим делать, пока не ясно. Убираем магнитное поле — получаем слишком много звёзд. Добавляем магнитное поле — получаем слишком мало планет. Впрочем, нужно признать, что расчёты ЗО с необходимым уровнем физического наполнения находятся пока в самом начале пути.

Ещё один вопрос, который пока остаётся без внятного ответа, — это природа распределения звёзд по массам. Она оказывается удивительно универсальной: наблюдения старых и молодых звёзд в нашей Галактике, наблюдения звёзд в других галактиках — всё говорит о том, что рождающиеся звёзды всегда и везде распределены по массам примерно одинаково. Это очень странно — с учётом различий в химическом составе, в плотности газа, даже ещё и возможной двухэтапности… Как Природа умудряется в этих условиях по всей Вселенной изготавливать звёзды в одинаковых массовых пропорциях, пока не ясно.

Вначале я не совсем честно писал о конференции в прошедшем времени. На самом деле я пишу это, когда она ещё не завершилась. Колокол зовёт на новые доклады, так что про остальное напишу позже!

2.

Увы, увы, конференция Protostars & Planets VI окончательно ушла в прошлое. Произнесены прощальные благодарственные речи, сделано памятное фото, и разошлись учёные по городам и весям осмысливать услышанное и увиденное. А я постараюсь во второй части своих заметок описать то, о чём говорилось в «планетной» части конференции.

Итак, каким-то образом вещество будущей системы «звезда + планеты» отделилось от родительского молекулярного облака и начало самостоятельное существование (насколько вообще можно говорить о самостоятельности в Галактике). Что должно происходить дальше? Дальше в центре системы появляется собственно звезда, которую окружает газопылевой диск. Со временем в диске формируется планетная система — картина, общие контуры которой были нарисованы ещё Кантом — Лапласом, а детализацию предложил В. С. Сафронов. Численное исследование процесса формирования планет из пылинок (а Земля — это до неприличия разросшаяся космическая пылинка) началось ещё в прошлом веке, но до сих пор не привело к устраивающему всех результату. Математически эта задача ещё более сложна, чем проблема образования звезды из молекулярного облака. Масса космической пылинки — 10-14 г, а масса Земли — 6 1027 г. То есть, потребна модель, способная адекватно описывать изменение массы частицы более чем на 40 порядков.

Первые модели такого рода выявили существенные проблемы в стандартной картине, связанные с тем, что обычное слипание пылинок не позволяет преодолеть так называемый «метровый барьер». Частицы охотно вырастают до сантиметровых размеров, но после этого их столкновения приводят не к слипанию, а скорее к отскоку друг от друга или даже разрушению, но никак не к росту. В последние годы много усилий прилагается к тому, чтобы перепрыгнуть через метровый барьер. На помощь приходит добавление физических подробностей. В «базовой комплектации» модель космической пыли как нельзя лучше соответствует образу «сферического коня в вакууме». Если начать несколько уходить от этого образа, метровый барьер пусть и не исчезает совсем, но по крайней мере становится менее высоким. Ситуацию со слипанием, например, улучшает учёт возможной пористости пылинок: они ведь вовсе не обязаны быть гладкими силикатными шариками. Далее, барьер возникает в моделях при условии, что для скорости столкновения пылинок принято некоторое «типичное» значение. В реальном же мире имеет место не одно значение, а распределение по скоростям, и в росте пылинок большую роль могут играть частицы, скорости которых приходятся на «хвосты» этого распределения.

У моделей в «базовой комплектации» есть ещё одна проблема. Пока пылинка мелкая, она полностью «вморожена» в газ и вращается вокруг звезды вместе с ним. Но стоит ей вырасти в камешек размером в десяток–другой сантиметров, газ начинает замедлять орбитальное движение камешка, и он довольно быстро дрейфует к центру системы. То есть мало перепрыгнуть метровый барьер, это нужно сделать быстро, пока вся пыль не попадала на звезду, не успев вырасти до большего размера. Эта проблема тоже решается уходом от упрощённых моделей: чтобы ускорить процесс роста пыли, её нужно как-то предварительно скучковать, насильно собрать в плотные сгустки. За такое кучкование могут отвечать разнообразные неустойчивости в диске, связанные с газодинамикой, магнитным полем, гравитацией. На коленке такое уже не промоделируешь, поэтому работы требуемого уровня сложности начали появляться лишь в последние годы. На конференции проблемы роста пыли в протопланетных дисках так или иначе затрагивались в нескольких обзорных докладах, а уж сколько об этом было постеров — и не сосчитать.

Неустойчивости в диске важны не только как фактор скучивания пыли. Они могут играть не менее важную роль в самом существовании диска. С этим тоже связана крупная проблема: диск-то должен быть аккреционным, то есть вещество в нём должно не просто крутиться вокруг звезды, но и постепенно приближаться к ней, с тем чтобы в конце концов упасть, породив наблюдаемое избыточное (относительно спектра самой звезды) ультрафиолетовое излучение. Чтобы вещество падало на звезду, у него нужно отобрать орбитальный угловой момент (aka момент импульса) и куда-то его деть. С давних пор потенциальным переносчиком углового момента считается турбулентность. За её возбуждение в диске как раз и должны отвечать какие-то неустойчивости, но какие именно — наука пока не может дать ответа, потому что и здесь требуются весьма детальные численные модели. Мало того что их сложно построить, так ещё и наблюдательных ограничений недостаёт. Конечно, много надежд в этом отношении возлагается на интерферометр ALMA, который позволит более или менее массово получать карты протопланетных дисков.

Вообще, не хотелось бы, чтобы вы представляли исследования протопланетных дисков как череду компьютерных моделей. Конечно, качественных наблюдений пока не очень много, но они есть. В спектрах дисков видны признаки укрупнения пылинок, всё больше обнаруживается в дисках различных молекул. В излучении молекул тоже можно разглядеть признаки укрупнения твёрдых частиц, потому что химические процессы по-разному протекают в среде с мелкими пылинками и в среде с крупными булыжниками (это, кстати, та область, в которую мы вносим свой скромный вклад).

Но, помимо прямых наблюдений, есть богатые косвенные источники информации об эволюции протопланетных дисков! Это итог их существования — планетные системы, включая Солнечную. Солнечная система интересна тем, что в ней помимо распределения планет можно изучать остатки протопланетного вещества; другие планетные системы интересны своим разнообразием. К сожалению (или к счастью), и в вопросе формирования планет тоже пока в основном неясности. Точнее, не ясно, в каких случаях работает тот или иной из двух рассматриваемых сейчас механизмов планетообразования — аккреция на ядро и гравитационная неустойчивость в диске. Первый — это конечный итог уже упомянутого слипания пылинок с образованием каменного ядра (планета земного типа), на который потом может аккрецировать мощная газовая атмосфера (планета-гигант). Второй — фрагментация диска под действием его же собственного тяготения — привлекает тем, что действует гораздо быстрее. Это позволяет объяснить образование планет-гигантов на больших расстояниях от звезды — как, например, в системе HR8799, то есть там, где аккреция на ядро должна быть дольше максимального времени жизни диска.

У гравитационной неустойчивости есть один крупный недостаток: до сих пор не доказано, что в типичном протопланетном диске есть условия для её возникновения. В одном из докладов, сделанном Жилем Шабрие, высказано даже предположение, что сама мысль о ней возникла по ошибке. Нам только кажется, что мы видим продукты гравитационной неустойчивости в диске. На самом же деле это продукты гравитационной неустойчивости в молекулярном облаке. Иными словами, иногда мы ошибочно называем планетами объекты, которые схожи с планетами массой, но появились на свет «звёздным» путём. А системы типа HR8799 могут возникать в результате миграции планет с одной орбиты на другую, более далёкую. Всё равно мы без миграции не можем объяснить ни появление «горячих юпитеров», ни даже строение Солнечной системы. В соответствии с популярной моделью Grand Tack («Шишков, прости: / Не знаю, как перевести» — А. С. Пушкин) наш собственный Юпитер осуществил в Солнечной системе манёвр с разворотом, прежде чем успокоиться на своей теперешней орбите.

Очень интересные были также доклады про внутреннее строение планет — как наших, так и чужих. Я уже выражал своё восхищение тем, что мы буднично исследуем состояние атмосфер планет вне Солнечной системы. Теперь, после конференции, могу добавить, что некоторые аспекты химического состава для внесолнечных планет известны намлучше, чем для Юпитера.

Не обошлось, конечно, и без астробиологии, но этот доклад (последний на конференции) был скорее грустным: Мануэль Гюдель рассказал о том, сколь мало на самом деле значит популярное понятие зоны обитаемости и сколь многое нужно для существования жизни, помимо температуры, допускающей наличие жидкой воды.

Вообще, практически все доклады были в большой степени научно наполненными, но вместе с тем нескучными, артистичными, иногда даже провокационными. Организаторы обещают выложить их видеозаписи, так что можно будет пересмотреть. Книга с докладами увидит свет ориентировочно летом будущего года.

Дмитрий Вибе

Немає коментарів:

Дописати коментар

Примітка: лише член цього блогу може опублікувати коментар.