Используя инструмент SPHERE, установленный на Очень Большом Телескопе Европейской южной обсерватории (ESO VLT), астрономы получили выдающуюся серию изображений, демонстрирующих осколочные диски в широком спектре экзопланетных систем. Эти пылевые структуры, каждая из которых представляет собой облако пыли и газа вокруг звезды, указывают на орбиты малых тел и дают редкую возможность заглянуть в самые ранние стадии развития планет.
На представленных изображениях видно, как сильно отличаются эти диски по форме, размеру и ориентации: некоторые выглядят как чётко очерченные кольца, в то время как другие имеют вытянутые или неправильные формы. Оттенки пурпурного и оранжевого цветов на снимках подчёркивают яркость и контраст, выявляя мельчайшие структурные детали. Это визуальное разнообразие отражает различные физические свойства и эволюционные стадии звёздных систем, что предоставляет ценную информацию о формировании планет и звёздном развитии. Гаэль Шовен из Института астрономии Макса Планка, научный руководитель проекта SPHERE и соавтор исследования, отмечает, что этот набор данных — «астрономическое сокровище», дающее исключительное представление о свойствах осколочных дисков и позволяющее делать выводы о малых телах, таких как астероиды и кометы, которые невозможно наблюдать напрямую.
В нашей собственной Солнечной системе, помимо Солнца, планет и карликовых планет типа Плутона, существует огромное разнообразие более мелких тел. Учёные уделяют особое внимание объектам размером от одного до нескольких сотен километров. Те из них, что периодически выбрасывают газ и пыль, образуя видимые «хвосты», называются кометами, в то время как не проявляющие такой активности — астероидами.
Эти малые тела являются хранителями ключей к первым дням существования Солнечной системы. В процессе, когда крошечные зёрна постепенно превращались в планеты, формировались промежуточные объекты, известные как планетезимали. Астероиды и кометы — это остатки той переходной фазы, планетезимали, которые так и не развились в полноценные планеты. В этом смысле они представляют собой (несколько изменённые) следы тех же самых ингредиентов, из которых когда-то сформировалась Земля.
Поиск малых тел в экзопланетных системах остаётся серьёзной задачей. Астрономы идентифицировали более 6000 экзопланет, что даёт нам более чёткую картину того, как планетарные системы различаются по всей галактике. Однако прямое изображение этих миров по‑прежнему чрезвычайно затруднено. До сих пор было сфотографировано менее 100 экзопланет, и даже самые крупные из них видны только как бесформенные точки света.
Эта задача становится ещё более сложной при поиске малых тел. Доктор Жюльен Милли, астроном из Университета Гренобль Альпы и соавтор исследования, подчёркивает: «Найти прямые доказательства существования малых тел в далёкой планетарной системе по изображениям кажется совершенно невозможным. Другие косвенные методы, используемые для обнаружения экзопланет, также не помогают».
Ключ к обнаружению скрытых планетезималей лежит не в самих малых телах, а в пыли, образующейся при их столкновениях. Молодые планетарные системы особенно активны. Планетезимали часто сталкиваются друг с другом, иногда сливаясь в более крупные тела, а иногда фрагментируясь на более мелкие. Эти события высвобождают огромное количество свежей пыли.
Физика, объясняющая видимость пыли, удивительно интуитивна. Разделение объекта на множество крошечных кусочков сохраняет его общий объём, но при этом драматически увеличивает площадь его поверхности. Например, если астероид шириной в один километр измельчить в пылевые зёрна размером всего в один микрометр, общая площадь поверхности увеличится в миллиард раз. Большая площадь поверхности означает гораздо больше света, отражённого от звезды, что облегчает обнаружение пыли. Наблюдая эту пыль, астрономы могут получить подробную информацию о невидимых малых телах, которые её производят.
Осколочные диски не остаются яркими вечно. По мере созревания молодой системы столкновения становятся всё более редкими. Пыль может быть отброшена наружу радиационным давлением от центральной звезды, захвачена планетами или планетезималями, либо закручиваться внутрь и падать на звезду.
Наша Солнечная система служит примером поздней стадии эволюции. После миллиардов лет в ней остаются два основных пояса планетезималей: пояс астероидов между Марсом и Юпитером и пояс Койпера за пределами гигантских планет. Также сохраняется популяция более мелких пылевых зёрен, образующих зодиакальную пыль. В особенно тёмном небе солнечный свет, рассеянный этой пылью, можно увидеть вскоре после заката или перед восходом солнца как слабое свечение, называемое зодиакальным светом.
Для наблюдателей, изучающих нашу Солнечную систему издалека, эти слабые остатки было бы трудно обнаружить. Однако новое исследование показывает, что подобные пылевые структуры вокруг более молодых систем должны быть видны примерно в течение первых 50 миллионов лет существования осколочного диска. Получение таких изображений — чрезвычайно сложная задача. Её сравнивают с фотографированием тонкого облака сигаретного дыма рядом с ослепительным прожектором стадиона с расстояния в несколько километров. Инструмент SPHERE, начавший свою работу на одном из Очень Больших Телескопов ESO весной 2014 года, был создан специально для таких ситуаций.
Основная идея, лежащая в основе SPHERE, знакома по повседневному опыту. Если Солнце светит прямо в глаза, можно поднять руку, чтобы заслониться от бликов и увидеть, что находится вокруг. SPHERE использует коронограф для достижения того же эффекта при изображении экзопланет или осколочных дисков. Вставляя небольшой диск на пути звёздного света, прибор блокирует большую часть бликов до того, как изображение будет получено. Этот метод работает только в том случае, если оптическая система остаётся чрезвычайно стабильной и точной.
Чтобы поддерживать эту стабильность, SPHERE полагается на высокоразвитую версию адаптивной оптики. Турбулентность в атмосфере Земли искажает входящий звёздный свет, и SPHERE постоянно отслеживает эти искажения и корректирует их в реальном времени с помощью деформируемого зеркала. Дополнительный компонент также может изолировать «поляризованный свет», который характерен для света, отражённого пылью, а не испускаемого непосредственно звездой. Эта дополнительная фильтрация повышает способность SPHERE обнаруживать слабые осколочные диски.
В новом исследовании представлен уникальный набор изображений осколочных дисков, созданных путём анализа звёздного света, рассеянного мельчайшими частицами пыли. «Для получения этой коллекции мы обработали данные наблюдений 161 близлежащей молодой звезды, чьё инфракрасное излучение убедительно указывало на присутствие осколочного диска», — говорит Наталия Энглер из Высшей технической школы Цюриха, ведущий автор исследования. «Полученные изображения демонстрируют 51 осколочный диск с разнообразными свойствами — некоторые меньше, некоторые больше, некоторые видны сбоку, а некоторые почти фронтально — и значительное разнообразие структур дисков. Четыре из этих дисков никогда ранее не были сфотографированы».
Работа с таким большим объёмом данных позволяет выявлять более широкие закономерности. Анализ показал, что более массивные молодые звёзды, как правило, имеют более массивные осколочные диски. Системы, где пыль сконцентрирована дальше от звезды, также демонстрируют тенденцию к более массивным дискам.
Одним из наиболее убедительных аспектов результатов SPHERE является широкий спектр структур внутри дисков. Многие из них показывают кольцевые или полосообразные узоры, сгруппированные на определённых расстояниях от звезды. Такое расположение напоминает нашу Солнечную систему, где малые тела скапливаются в поясе астероидов и поясе Койпера. Предполагается, что эти структуры формируются планетами, особенно крупными, которые расчищают пути по мере своего движения по орбите.
Некоторые из ответственных за это планет уже были обнаружены. В других случаях чёткие края или асимметрии в дисках убедительно указывают на присутствие планет, которые ещё не были непосредственно наблюдаемы. Благодаря этому исследование SPHERE предоставляет ценный набор целей для будущих обсерваторий. Инструменты космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST) и строящегося Чрезвычайно Большого Телескопа (ELT) ESO должны быть способны напрямую сфотографировать по крайней мере некоторые из планет, формирующих эти пылевые кольца и промежутки.
Результаты, описанные в данном материале, были опубликованы Наталией Энглер и соавторами в статье «Characterization of debris disks observed with SPHERE» в журнале Astronomy and Astrophysics.
