Звездная пыль. Челябинские ученые исследуют рождение планет в мертвых зонах

15 Февраля 2018 Автор: Евгений Аникиенко Фото: из личного архива Сергея Хайбрахманова
Звездная пыль. Челябинские ученые исследуют рождение планет в мертвых зонах

Астрофизики разработали оригинальную модель определения условия образования планет в аккреционных дисках молодых звезд (аккреция — падение вещества на звезду под действием ее гравитации).

Недавно на прорывной научный проект выделен грант Российского фонда фундаментальных исследований.

Как это исследование может изменить наше представление об образовании планет и зарождении жизни во Вселенной? Это и стало главной темой разговора с одним из его авторов, старшим научным сотрудником Коуровской астрономической обсерватории УрФУ, доцентом кафедры теоретической физики ЧелГУ, кандидатом физико-математических наук Сергеем Хайбрахмановым.

Планетарная колыбель

— В чем новизна вашей модели протопланетных дисков?

— Идея, что Солнечная система зародилась из вращающейся протосолнечной туманности, была высказана еще в конце ХVIII века французским ученым Пьером-Симоном Лапласом. Однако полноценные модели процесса образования этой туманности и формирования в ней планет начали появляться только во второй половине ХХ века, в том числе в работах советских ученых Виктора Сафронова и Андрея Витязева. Согласно общим представлениям, вокруг молодой звезды образуется диск из газа и пыли. Часть вещества падает на звезду, а другая служит материалом для образования планет. Полноценной картины, детально описывающей их формирование, до сих пор нет, поскольку для этого необходимо рассмотрение большого количества сложнейших физических процессов.

Мы с моим научным руководителем, доктором физико-математических наук, заведующим кафедрой теоретической физики, профессором Александром Дудоровым занимаемся исследованием роли магнитных полей в образовании звезд и планет. Нами разработана оригинальная модель аккреционных дисков молодых звезд, с помощью которой впервые удалось детально рассчитать их магнитное поле.

— А при чем тут звездный магнетизм?

— Внутри аккреционного диска есть магнитное поле, которое создается не с помощью динамо-механизма, как, например, у нашей Земли, а совершенно по другому принципу. Это остаточное поле «родительских» молекулярных облаков! В космосе такие облака, в которых согласно наблюдениям есть магнитные поля, под действием колоссальной гравитации сжимаются, и в самых плотных участках рождаются звезды! Причем магнитное поле молекулярных облаков частично сохраняется. Этот вывод лежит в основе теории остаточного магнитного поля. На ее основе я в своей кандидатской диссертации разработал «магнитогазодинамическую» (МГД) модель аккреционных дисков, а сейчас продолжаю исследования в докторской. Мы изучаем, как такие диски становятся протопланетными, то есть как в них происходит образование планет.

Магнитная модель

— Были ли у вашей теории свои предшественники?

— Она основана на стандартной модели, еще в 1972-1973 годах предложенной советскими астрофизиками Николаем Шакурой и Рашидом Сюняевым. Они предположили, что угловой момент вращения вещества отводится наружу за счет турбулентности, и придумали способ, как ее включить в уравнения, описывающие структуру аккреционных дисков. И получили простое аналитическое решение этих уравнений.

Мы же пошли дальше — разработали комплексную магнитную модель, позволяющую рассчитать структуру и магнитное поле этих дисков. Астрономические наблюдения показывают, что они обладают магнитным полем, которое играет важную роль и в эволюции звезд, и в образовании планет.

— Можно ли в телескоп увидеть протопланетный диск?

— Поначалу их предсказали теоретически, но они находятся на гигантских расстояниях от Земли, и засечь протопланетный диск крайне сложно. Впервые в оптическом диапазоне они наблюдались в 90-х годах ХХ века на космическом телескопе Хаббл в одной из ближайших к нашей планете областей звездообразования. И лишь в последние 5 лет на супермощном телескопе ALMA в Чили стали получать многочисленные детальные изображения протопланетных дисков, сделанные в субмиллиметровом диапазоне. В некоторых объектах, например, в диске молодой звезды HL Tau даже обнаружены признаки образующихся планет.

Мерцающий блеск

— Как объяснить мерцание наблюдаемых молодых звезд?

— Наша МГД-модель помогает объяснить переменность их теплового излучения. По его поляризации можно обнаружить само магнитное поле диска! Причем у молодых звезд наблюдается инфракрасная переменность — излучение в этом диапазоне то уменьшается, то возрастает. Ученые объясняют это по-разному: к мерцающему блеску могут привести пятна на поверхности звезды или малый компаньон внутри диска.

Мы же считаем, что главная причина изменения температуры и звездного блеска — происходящие в нем внутренние процессы. И изучаем механизм, названный плавучестью магнитного поля. Сильные магнитные поля имеют тенденцию разбиваться на так называемые магнитные силовые трубки, которые периодически всплывают из дисков вдоль оси вращения. Нечто подобное мы наблюдаем на Солнце: магнитные трубки приводят к образованию протуберанцев.

— Каковы особые свойства магнитного поля протопланетных дисков?

— Мы показали, что такие магнитные поля имеют сложную геометрию. Во внешней части дисков они тороидальные, то есть закрученные в спираль, либо квазирадиальные — вытянутые в сторону звезды. Вблизи нее магнитное поле тоже тороидальное, а в центральной части диска, где располагается мертвая зона, — полоидальное, с почти вертикальными магнитными линиями.

Зона планетостроя

— Что представляет собой эта мертвая зона?

— Вещество аккреционных дисков медленно, в течение нескольких миллионов лет, по спирали падает на звезду. Этому способствует турбулентность в диске. В мертвых зонах нет турбулентности: вещество вращается по кругу, не падает на звезду и накапливается. В будущем из него в этих благоприятных условиях могут образоваться планеты!

Кроме того, в мертвых зонах слабое магнитное поле (в сильном заряженные частицы не могут двигаться поперек силовых линий), что тоже работает в плюс планетного строительства. Создается гравитационный сгусток — зародыш планет.

— А что еще может привести к образованию планет?

— Дополнительный фактор — линии испарения льда. В диске есть область, где происходит испарение ледяных пылинок: дальше от звезды вода находится в твердом состоянии, а вблизи ее — в газообразном, в виде пара. Тем самым создается скачок давления — пылинки скапливаются, слипаются и образуются зародыши планет, — так называемые «планетезимали». А если линия льда находится в мертвой зоне, это еще более благоприятно для накопления планетного вещества.

— Но исследовать космический механизм вряд ли под силу даже ученым одной страны…

— Мы обмениваемся данными с зарубежными коллегами. В 2016 году я побывал в Испании на двух международных конференциях — под Мадридом и в обсерватории Тенерифе, на Канарских островах. На них были подняты проблемы образования планет, космической плазмы. Своими идеями о природе звездных дисков поделились астрофизик из США, профессор Филипп Эрмитедж, профессор Ральф Пудритц из Канады и другие ученые. К примеру, высказана гипотеза о том, что пылинки в этом диске объединяются в большие пористые конгломераты, служащие материалом для строительства планет.

Другая версия — о роли возникающего в аккреционных дисках так называемого эффекта Холла. При этом появляется необычный ток, который течет поперек электрического и магнитного поля! Это изменяет геометрию магнитного поля диска, влияет на турбулентность, а в итоге — на процесс образования планет!

Подскажет наш метеорит

— Как поможет познанию секретов звездного мира изучение челябинского метеорита?

— Метеориты к нам залетают в основном из пояса астероидов, расположенного между Марсом и Юпитером. Это остатки протосолнечной туманности. Таким образом, существует прямая связь между нашим изучением протопланетных дисков и метеоритными исследованиями. Результаты анализа состава челябинского метеорита во многом подтверждает гипотезы о составе пылевых частиц космических дисков. Их основные компоненты — это лед, троилит и силикаты (оливин).

Все это важно знать, чтобы рассчитать тепловую, магнитную структуру протопланетного диска. Челябинский метеорит также может дать косвенную информацию о магнитном поле туманности, из которой примерно 4,6 миллиарда лет назад образовалась Солнечная система. Разгадывая ребусы звездной пыли, мы познаем секреты мироздания.

Вчера | 09:22
Уроки на ночь глядя. В копейской школе дети вынуждены учиться до позднего вечера

Занятие у ребятишек 2-х и 3-х классов копейской школы № 7 начинаются в 15:00, а заканчиваются только в 19:00 — всего за два часа до сна. Фактически это третья смена, однако официально на бумаге такое расписание называется гибким, а смена — второй удлиненной.

16.09.2019 | 15:42
Хлеб из биопечки. Сможет ли искусственная еда заменить натуральную

Можно ли сделать искусственную пищу из электричества, воздуха и воды? По мнению ученых, эта задача сегодня вполне решаема. К примеру, финские биотехнологи сообщили о прорывном открытии, позволяющем при помощи микроорганизмов производить муку «из ничего».

Вчера | 16:57
Южноуральские аграрии собрали урожай наград на межрегиональной выставке

Аграрии Челябинской области завоевали на IX межрегиональной агропромышленной выставке в Екатеринбурге 57 медалей, из которых 12 золотых.

Вчера | 16:44
Единороссы определились с кандидатурой спикера гордумы Челябинска

Городским депутатам предложили поддержать партийного выдвиженца Андрея Шмидта.

Новости   
Спецпроекты