Пыль на световой подушке

Как вокруг молодых звёзд образуется и перемещается кристаллическая пыль

,
NASA/JPL/Caltech
Кристаллическая пыль, которая входит в состав комет, образуется при вспышках молодых звёзд. Такое случалось и с Солнцем в его ранней молодости. А к месту образования комет пыль прилетает как корабль на воздушной подушке, только «поднимает» её давление не воздуха, а излучения самой пыли.

Кометы, большинство из которых прилетают к нам с далёких окраин Солнечной системы, в чём-то похожи на жареное мороженое, только наоборот. Во льдах, которые никогда не подвергались нагреву выше, примерно, 100 градусов Кельвина (–173 градуса по шкале Цельсия) в огромном количестве присутствуют пылевые частицы, требующие для своего образования очень высоких температур, например, кристаллические силикаты, в первую очередь оливины.

В межзвёздном веществе, из которого образовалось Солнце и вся Солнечная система включая кометы, те же оливины присутствуют в некристаллической (аморфной) форме, где порядок молекул нарушен и они нагромождены в самых разных взаимных конфигурациях. Более того, считается, что мелкие кристаллики, даже образовавшись, не могут долго прожить в газо-пылевых облаках: кристаллическую структуру быстро разрушают высокоэнергичные кванты света и беспорядочно снующие по Галактике заряженные частицы — космические лучи. В кометах-то их защищают слои твёрдого вещества, в которые они сами, вместе с газом, смерзаются.

Отсюда кажется очевидным вывод, что кристаллические силикаты должны каким-то образом появляться уже в момент образования Солнечной системы и планетных систем вокруг других звёзд.

Образуются они благодаря своего рода прокаливанию, отжигу, аморфных частичек, при котором молекулы разрушают беспорядочные связи друг с другом, а потом при образовании новых связей выстраиваются в «правильном» кристаллическом порядке.

Такое прокаливание могло бы происходить, к примеру, при вспышках на молодых звёздах, которые вообще подвержены вспышечной активности. Когда звезда только образуются, она до поры до времени растёт медленной аккрецией — выпадением вещества из газопылевого диска, в который превращается исходное облако, на звёздный зародыш. При этом высвобождается энергия, и, когда в результате какой-нибудь неустойчивости темп аккреции резко увеличивается, звезда вспыхивает, диск прогревается — и может происходить отжиг оливинов. Потом каким-то образом кристаллики должны выноситься в далёкие, холодные области аккреционного диска, где впоследствии образуются кометы.

Однако до сих пор все эти рассуждения были лишь умозрительной моделью. Авторам письма, опубликованного в сегодняшнем номере Nature, удалось показать, что это происходит в действительности.

Учёные под руководством Атиллы Юхаса из Института астрономии общества имени Макса Планка в немецком Гейдельберге изучили последствия вспышки, произошедшей на молодой звезде EX Волка (EX Lupi) в январе 2008 года, когда блеск звезды поднялся более чем в 100 раз. Астрономы полагают, что причиной такого события как раз стала какая-то неустойчивость в диске, вылившаяся в резкое увеличение темпов выпадения вещества на поверхность звезды.

Инфракрасный спектр звезды, полученный после вспышки, сильно отличался от такового, полученного в ходе программы изучения молодых звёзд телескопом имени Спитцера тремя годами ранее.

В частности, в спектре появились линии кристаллической формы форстерита — магниевой соли ортокремниевой кислоты, Mg2SiO4.

Точно такие же линии прежде находили в спектрах многих комет. И судя по спектру, до вспышки этот минерал присутствовал здесь лишь в аморфной фазе.

Лабораторные эксперименты показывают, что для такой трансформации требуется совсем немного времени, от нескольких секунд до часов, при условиях, характерных для внутренних слоёв аккреционного диска. Поскольку диск постоянно перемешивается, его вещество постепенно обогащается оливинами в кристаллической форме. Считается, что это вещество способствует, в том числе, образованию твёрдых планет, которые появляются как раз там, где происходит кристаллизация.

Однако кометы конденсируются в ещё более удалённых областях аккреционного диска. Как кристаллики добираются туда?

На этот счёт существует несколько теорий, но все они на поверку сталкиваются с определёнными трудностями: реализуются ли условия, при которых эти механизмы становятся эффективными, не ясно.

Дежан Винкович из хорватского Университета Сплита, автор второй публикации в том же номере Nature, показал, что учёные до сих пор не замечали один простой и эффективный механизм, который должен работать в любом случае.

Чем-то механизм Винковича напоминает катер на воздушной подушке. Только вместо давления воздуха работает давление света.

«Разгонный двигатель», который перемещает частицы во внешние области аккреционного диска — свет самой формирующейся звезды. А над аккреционным диском, который экранирует свет звезды и не даёт ему ускорять пылинки, их поднимает инфракрасное излучение диска. В итоге частичка постоянно разгоняется вдоль верхней (или нижней) границы диска.



Силы давления звёздного света и инфракрасного излучения самой пыли создают равнодействующую, которая приподнимает пылинки над диском и разгоняет их по направлению к внешним частям аккреционного диска // D.Vinkovic

Силы давления звёздного света и инфракрасного излучения самой пыли создают равнодействующую, которая приподнимает пылинки над диском и разгоняет их по направлению к внешним частям аккреционного диска // D.Vinkovic

Перенос заканчивается тогда, когда кристаллики забираются в достаточно холодные области диска, которые большую часть энергии излучают в электромагнитных волнах с длиной большей, чем размер частицы. При этом кристаллик теряет способность эффективно перехватывать их энергию и импульс (волны будто «огибают» его, не замечая препятствия) и падает обратно в диск.


Правда, как показывают расчёты, теория Винковича может объяснить лишь перенос достаточно крупных кристалликов, размером не менее 1 микрона. Кроме того, из логики следует, что должна наблюдаться некоторая радиальная сегрегация частиц: мелкие кристаллики будут выпадать из процесса переноса ближе к звезде, чем крупные, которые в итоге доберутся дальше. Проверить эти предсказания смогут лишь дополнительные наблюдения.