Первые прямые изображения протопланетных дисков.

Планеты образуются в газопылевых дисках, окружающих молодые звезды. Если удастся заглянуть в места рождения планет, то это означает, что мы сможем совершить путешествие в прошлое Земли и всей Солнечной системы. Теперь астрономы смогли получить детальные изображения протопланетных дисков двух звезд с помощью телескопа Subaru на Гавайях. Это первый случай, когда структура диска, сопоставимая по размерам с нашей собственной Солнечной системой, была хорошо разрешена, были выявлены такие особенности как, кольца и пробелы, которые связаны с формированием планет-гигантов. Наблюдения являются частью систематического обзора поиска планет и дисков вокруг молодых звезд с использованием камеры с высокой контрастностью, разработанной специально этой цели.

Планетные системы подобно нашей практически являются побочными продуктами звездообразования. В результате гравитационного воздействия вновь образовавшейся звезды остатки газа и пыли формируют плотный, плоский диск, вращающийся вокруг звезды. Из сгустков вещества в диске уже под действием их собственной гравитации формируются плотные тела - планеты. В последние годы наблюдается существенный прогресс как в наблюдениях (в основном косвенных), так и в теоретическом моделировании таких "протопланетного" дисков. Два новых наблюдения добавили новые подробности, выявившие структуры, которые никогда раньше не наблюдались.

Рисунок 1. Общепринятая модель эволюции протопланетного диска вокруг звезд солнечного типа. (Изображение: Subaru Telescope& NAOJ).

На рисунке 1. представлена общепринятая до настоящего времени модель формирования планетной системы у звезд. Два верхних рисунка относятся к стадии протозвезды. Звезды рождаются, когда молекулярное облако, состоящее из холодного газа и пыли, под действием гравитации начинает сжиматься. Далее масса протозвезды постепенно увеличивается за счет аккреции вещества из родительского облака. Это вещество образует вокруг звезды толстый протопланетный диск. Энергия, выделяющаяся при падении вещества, нагревает диск, и его излучение можно наблюдать в инфракрасном и субмиллиметровом диапазонах. Обычно возраст таких объектов не превышает 100 000 лет.

На следующем рисунке представлена схема звезды типа Солнца примерно в возрасте 1 миллиона лет, такие звезды относят к классу звезд типа Т Tau. В таких объектах наблюдается сильный звездный ветер, который уносит вещество звезды вовне. В возрасте около 10 миллионов лет у звезд типа Солнца протопланетный диск становится тоньше, в нем начинают формироваться планеты.

Самая нижняя диаграмма - схематическое представление звезды в ее стабильном состоянии, в возрасте от 100 миллионов лет, когда в ее ядре идут реакции ядерного синтеза. Протопланетного диска как такового уже не осталось, все вещество ушло на формирование планет. Но столкновения тел системы, таких как астероиды, могут формировать вторичный диск, например, пылевой диск у звезд типа Beta Pictoris (β Живописца), или аналог зодиакальной пыли в нашей Солнечной системе.

Лавинообразно увеличивающее количество открытых планет у других звезд вызывает повышенный интерес к проблеме их формирования, к протопланетным дискам как их первоисточникам. Изучать эти диски очень сложно. Размеры их очень малы, а излучение центральной звезды просто "забивает" слабый сигнал от диска. Кроме того, имеющиеся средства наблюдений дают возможность разрешать только структуру внешних слоев диска.

Специальные инструменты помогают преодолевать эти трудности. Коронограф облегчает наблюдение слабых объектов вокруг звезд - в нем применяются специальные маски, закрывающие излучение звезды. Использование адаптивной оптики позволяет существенно повышать пространственное разрешение путем компенсации размытия изображений из-за влияния атмосферы.

Новые наблюдения были сделаны с помощью камеры HiCIAO (The High-Contrast Coronographic Imager for Adaptive Optics), коронографа в сочетании с системой из 188 элементов адаптивной оптики, установленного на 8,2 метровом телескопе Subaru. Он создавался изучения слабых компонентов звезд, коричневых карликов, планет-гигантов около близких звезд, но может использоваться и изучения околозвездных дисков. HiCIAO является усовершенствованной версией CIAO (Coronographic Imager with Adaptive Optics). Он выполнен в виде настраиваемой камеры, состоящий из нескольких модулей, которые могут быть настроены в зависимости от режима работы.

Наблюдения являются частью проекта SEEDS - Strategic Explorations of Exoplanets and Disks with Subaru - Стратегические Исследования экзопланет и дисков с помощью Subaru, руководимого Мотохидэ Тамура (Motohide Tamura) из Нациальной Астрономической Обсерватории Японии. В рамках SEEDS, начатого в 2009 году, ведется систематический поиск экзопланет и протопланетных дисков.

Одной из исследованных звезд была LkCa 15 звезда, находящаяся на расстоянии около 450 световых лет от Земли в созвездии Тельца. Это совсем молодая звезда, ее возраст составляет нескольких миллионов лет, наше Солнца в тысячу раз старше. Из предыдущих наблюдений ее инфракрасного спектра и излучения в миллиметровом диапазоне ученые сделали вывод о наличие большого разрыва в центре ее протопланетного диска. Полученные изображения (рисунок 2) показывают отражения звездного света от поверхности диска, т.е. в первый раз четко виден острый край разрыва. Самое интересное, что разрыв имеет эллиптическую форму и не центрирован относительно звезды, и кажется однобоким.

Рисунок 2. Это изображение получено с помощью камеры HiCIAO, установленной на телескопе Subaru. Показана яркая дуга рассеянного отраженного света (выделено белым) от протопланетного диска вокруг молодой звезды LkCa 15 (находится в центре, закрытом маской в виде темного круга). Резкий внутренний край сопровождается большим разрывом в диске. Этот разрыв явно однобокий, значительно более выражен слева, - и, скорее всего, вызван наличием одной или более новорожденных планет, вращающихся вокруг звезды. (Изображение: MPIA (Christian Thalmann) & NAOJ).

Наиболее вероятным объяснением разрыва на диске LkCa 15 и, в частности, его асимметрии, является наличие одной или нескольких планет, недавно образовавшихся из вещества диска, которые заметали газ и пыль при своем вращении. Интересно, что разрыв диска достаточно большой, величина его такова, что в нем могут разместиться орбиты всех планет нашей Солнечной системе. Поэтому очень заманчиво предположить, что LkCa 15 может быть в процессе формирования планетной системы, похожей на нашу собственную. Сами планеты еще не обнаружены, но не исключено, что это только вопрос времени.

Рисунок 3. Эскиз трехмерной формы протопланетного диска вокруг звезды LkCa 15. На изображениях HiCIAO виден только свет, отраженный от внешнего диска (показан желтым цветом). Другие структурные особенности были выведены из предыдущих косвенных наблюдений системы. Большой разрыв между внутренним и внешним дисками, скорее всего, вызван действием одной или более новорожденных планет, вращающихся вокруг звезды. Сами планеты до сих пор не обнаружены. (Изображение: MPIA (Christian Thalmann) & NAOJ)

Вторая звезда, за которой велось наблюдение - звезда AB Aur в созвездии Возничего, она расположена на расстоянии 470 световых лет от Земли. Эта звезда еще моложе - ее возраст составляет только один миллион лет. Эта звезда - одна из наиболее исследуемых переменных звезд, в 2008 году уже было получено изображение диска вокруг нее. Новые наблюдения впервые показали детали на масштабах, сравнимых с размерами нашей собственной Солнечной системы. На изображениях можно видеть двойную кольцевую систему с кольцам размерами около 40 и 100 а.е. и кольцеобразный разрыв между ними. Найден наклон между кольцами диска, и при этом вещество диска не распределено симметрично вокруг звезды - нерегулярные образования могут указывают на наличие, по крайней мере, одной очень массивные планеты.

Рисунок 4. Изображение AB Aur в ближней инфракрасной области (1,6 мкм). На верхних панелях представлены снимки, сделанные HiCIAO и CIAO. Оба изображения имеют поле зрения 7,5" на 7,5". Вверху слева - изображение, полученное HiCIAO с использованием коронографической маской диаметром 0,3". Вверху справа - изображение, полученное CIAO с использованием искусственной маски диаметром 1,7". Нижние панели показывают внутреннюю часть диска AB Aur. Оба изображения имеют поле зрения 2,0" на 2,0". Внизу слева - изображение с коронографической затемняющей маской диаметром 0,3". Внизу справа показаны характерные особенности центральной области. Эллипсы, обозначенные прерывистой линией - внешнее и внутреннее кольца. Сплошной эллипсоид указывает на огромный разрыв между кольцами. Знак "+" показывает на положение звезды. Кружок - является центром внешнего кольца. Для этого объекта 1" соответствует 144 а.е. в реальном масштабе. (Изображение: NAOJ/J. Hashimoto)

Эти два полученных результата очень важны, они, в первую очередь, показывают особенности дисков, в которых происходит образование планет, причем, на масштабах, сравнимых с Солнечной системой. Прямые снимки убедительно свидетельствует о существовании планет-гигантов типа Юпитера, которые оказывают влияние на структуру диска. Обнаружения уже сформировавшихся планет за один миллион лет поставило исследователей в тупик. Считалось, что планеты-гиганты, такие как Юпитер и Сатурн, а также гигантские экзопланеты формируются в течение нескольких десятков миллионов лет. Поэтому полученные результаты заставляют пересматривать теории формирования планет. В рамках проекта SEEDS будет продолжать поиск и изучение экзопланет в течение следующих пяти лет.

Результаты исследований опубликованы в Astrophysical Journal Letters: V.729, p.17, 2011 и V.718, pp. L87-L91, 2010.