Различные газопыевые диски вокруг звезд
Реферат по астрономии
Газопылевые диски вокруг звезд
Автор: Нуйкина Екатерина, 11 “Г”
Введение
Протопланетный диск или проплид (газопылевой диск) — вращающийся околозвёздный диск плотного газа вокруг молодой, недавно сформированной звезды.
По современным данным, сложные органические вещества, необходимые для жизни, могли быть сформированы еще в протопланетарном диске Солнца до появления планет. Согласно компьютерным ииследованиям, тот же самый процесс может возникать и у других звезд, вокруг которых формируются планеты.
Протопланетарный диск так же может подразумевать аккреционный диск, структуру, возникающую в результате падения диффузного материала, обладающего вращательным моментом, на массивное центральное тело, в данном случае на звезду. Аккреционные диски играют ключевую роль в механизме гамма-всплесков, сопровождающих слияние нейтронных звёзд и коллапс ядер сверхновых и гиперновых звёзд. Аккреционные диски протозвёзд, молодых звёзд излучают в инфракрасном диапазоне, а тепловое излучение дисков, образовавшихся вокруг нейтронных звёзд и чёрных дыр, приходится на рентгеновский диапазон.
Протозвезды в основном формируются из облаков молекул, состоящих по большому счету из водорода. Когда облако молекул достигает критического размера, массы или плотности, оно начинает разрушаться под собственной силой притяжения. Когда облако становится плотнее, рандомные движения газа приводят к увеличению вращений облака и увеличению его радиуса. Облако становится плоским и принимает форму диска. Это происходит, так как центростремительное ускорение от орбитального движения сопротивляется гравитационному притяжению звезды только в радиальном направлении, но облако остается свободным для сплющивания в вертикальном направлении.
|
|
|
Начальный коллапс длится 100,000 лет. После этого звезда достигает температуры поверхности звезды основной последовательности той массы и становится видимой.
Поглощение газа на поверхности солнца продолжается 10 миллионов лет, перед тем как диск полностью пропадет или, что возможно, размоется солнечным ветром молодой звезды или просто прекратит испускать радиацию после того как поглощение завершится. Самому старому протопланетарному диску 25 миллирдов лет.
Предположительно газопылевые диски вокруг звезд - тонкие структуры, имеющие массу меньшую массы центральной молодой звезды.
Массу типичного протопланетарного диска преимущественно занимает газ, однако, наличие пыли имеет огромное влияние на его эволюцию. Пыль защищает диск от энергетической радиации из космоса.
|
|
|
Парадоксальные явления, связанные с пропилидами
С 1983 года молодая звезда TYC 8241 2652 1, которой около 10 млн лет, наблюдалась в инфракрасном диапазоне: её диск светился на длине волны 10 мкм. Температура его считалась равной 180 ˚C, а начинался диск на таком удалении от своего солнца, которое примерно равно расстоянию от Меркурия до Земли. В 2008 году телескопы регистрировали объект, а в 2009-м ИК-излучение от диска упало на две трети. В 2010 году диск исчез практически полностью, что было подтверждено целым рядом телескопов.
Как предполагалось ранее, образование планет из пыли протопланетного диска, то есть его исчезновение, должно проходить в течение сотен тысяч и миллионов лет. Однако в июле 2012 года астрономы из США и Австралии сообщили об исчезновении протопланетного диска, который отчётливо наблюдался вокруг звезды TYC 8241 2652 ещё всего лишь несколько лет назад. Свечение данного протопланетного диска было впервые зафиксировано в 1984 году, и с тех пор в течение около 20 лет было хорошо доступно для наблюдений. Но в 2009 году обнаружилось, что его яркость уменьшилась на 2/3, а к 2010 году диск стал почти неразличим. То есть диск исчез всего лишь приблизительно за три года, что является абсолютным рекордом, никогда не наблюдавшимся ранее. 
|
|
|
Сначала в объяснение событию последовало предположение, что, диск, вероятно, не исчез, а лишь оказался заслонен каким-то другим объектом, однако впоследствии эта гипотеза не подтвердилась.
Другое возможное объяснение необычного явления состоит в предположении о частичном вытеснении материала диска фотоиспарительным ветром на более далёкое расстояние, однако в таком случае должна была бы повыситься его светимость в последние годы, чего не наблюдалось.
Ещё одна гипотеза предполагает, что TYC 8241 2652 не имел протопланетного диска с самого начала, а наблюдавшийся с 1984 года диск — это разогретая пыль, выброшенная в космическое пространство в ходе сценария, аналогичного с мегаимпактной моделью формирования Луны. Впоследствии эта пыль могла либо рассеяться, либо осесть на поверхности звезды. Но к данному предположению тоже возникает вопрос относительно слишком быстрого времени.
Одним из объяснений может быть то, что из диска за столь короткое время сформировались планеты, и тогда, получается, что «образование планет происходит намного быстрее и эффективнее», — как считает Карл Мэлис.
|
|
|
Впрочем, дальнейшие, более детальные наблюдения и исследование данных по протопланетным дискам, с целью выявить, уменьшилась ли за последние годы яркость какого-либо ещё из них, вероятно, помогут решить данную проблему.
Различные газопыевые диски вокруг звезд
Планетарные системы формируются из газовых и пылевых дисков вокруг юных звезд. Но детали формирования все еще не до конца ясны. Здесь задействовано множество физических процессов, среди которых аккреция на звезду, контакт диска с планетарными эмбрионами, рост пылевых зерен, осаждение пыли на среднюю плоскость диска и т.д.
Чтобы разобраться в этих факторах, за дисками наблюдают на нескольких длинах волн. В частности, диапазон субмиллиметровых длин волн предлагает способ отследить большую часть диска, чтобы оценить пылевые массы.
Изучение участков звездного рождения аппаратами вроде SMA и ALMA показывают, что диски обладают типичными массами – 0.1%-0.5% от звезды-хозяина. Исследования 284 протопланетных дисках в трех ближайших областях звездного формирования свидетельствуют о росте зерен по спектральной форме излучения, как минимум, для двух регионов. Этот результат намекает на раннюю стадию формирования планет.
Например, молодая звезда RX J1615, расположенная на расстоянии 600 световых лет от Земли в созвездии скорпиона, демонстрирует сложную систему концентрических колец, чем-то напоминающую систему колец Сатурна, только колоссальных масштабов. Такие сложные процессы, протекающие в протопланетном диске, до сих пор были запечатлены всего лишь несколько раз. Всё становится ещё интереснее, когда выяснилось, что возраст этой системы всего 1.8 миллиона лет. Учёные нашли признаки того, что в диске всё ещё протекают процессы формирования новых планет. 
Возраст недавно обнаруженного протопланетного диска делает систему RX J1615 ещё более удивительной, поскольку большинство других подобных примеров были относительно старыми или уже прошедшими этап развития. Неожиданные результаты этой группы учёных были быстро подтверждены другими исследователями на примере другой звёздной системы. Они наблюдали звезду HD 97048, расположенную на расстоянии 500 световых лет в созвездии Хамелеон. Посредством кропотливого анализа учёные выяснили, что недавно образовавшийся протопланетный диск также образовал концентрические кольца. Такое совпадение двух звёздных систем является неожиданным результатом, поскольку большинство протопланетных звёзд должны содержать множество асимметричных спиральных рукавов, пустот и вихрей. Эти открытия значительно расширяют число известных систем с многократными симметричными кольцами. 
Интересный пример именно асимметричного диска был обнаружен голландской группой астрономов с помощью всё того же прибора SPHERE. Этот диск окружает звезду HD 135344B, расположившуюся на расстоянии 450 световых лет от нас. Несмотря на то, что эта звезда была хорошо изучена в прошлом, SPHERE позволил команде исследователей рассмотреть протопланетный диск звезды более подробно, чем когда-либо прежде. Большая центральная пустота и две структуры, подобные спиралям, как предполагают исследователи, были образованы одной или несколькими массивными протопланетами, которые впоследствии могут стать мирами, подобными Юпитеру. 
Кроме того, четыре тёмные полосы, наблюдаемые на диске, являются тенями движущегося материала в диске звезды HD 135344B. Самое удивительное здесь то, что одна из полос заметно изменилась в течение всего лишь месяцев в режиме реального времени. Это говорит о том, что во внутренней структуре диска происходят какие-то явления, которые даже современный прибор SPHERE не может разглядеть.
Изучение формирования планет через исследования пропилиов
Протопланетный диск представляет собой вращающийся диск из газа и пыли, который образовывается, как правило, вокруг очень молодых звезд. Именно в нем происходит формирование планет: сначала пыль «сбивается» в небольшие комки, которые затем под действием гравитации превращаются в планетезимали. Если планетезималь накапливает достаточно вещества, то она превращается в протопланету, которая потом уже может стать полноценной планетой.
Чтобы понять особенности формирования планетных систем, астрофизики ведут наблюдения за газопылевыми дисками. Ученые лишь недавно научились получать детальные изображения, которые позволяют не только подтвердить существование протопланетного диска вокруг звезды, но и разглядеть его структуру. Как показывают наблюдения, она может быть разной: например, у TW Гидры в диске можно увидеть многочисленные кольца, а у V883 Orionis — всего одно, которое предположительно является снеговой линией.
Открытие разных структур может объяснить, например, как появляются планеты-гиганты вроде Юпитера на далеких орбитах. Ученые говорят о том, что для формирования крупных планетезималей, которые впоследствии станут ядром планеты, газа и пыли в отдаленных областях протопланетного диска просто недостаточно.
По данным исследователей, длина газопылевых рукавов, отходящих от материнской звезды, достигает более десяти миллиардов километров, что почти в два раза больше среднего расстояния от Плутона до Солнца.
Такую структуру астрофизики наблюдали впервые. Раньше им удавалось увидеть спиралевидные образования в протопланетных дисках, однако уже на тех этапах, когда вокруг звезды активно формировались планеты, которые могли бы их создать. Здесь же авторам работы не удалось обнаружить признаков существования крупных планет. Ученые заметили в диске только узкую полоску, где плотность пыли была значительно меньшей, но ее размер не характерен для большого небесного тела.Исследователи предполагают, что спиралевидная структура могла появиться в результате гравитационной нестабильности самого диска. Такой сценарий был предложен астрофизиками на основе оценки массы и формы протопланетного диска, а также из-за симметричности его рукавов.
В областях повышенной плотности пыли, по мнению ученых, формирование планет протекает значительно активнее: во-первых, из-за того, что гравитация там будет сильнее, а во-вторых, потому что в рукавах более велика вероятность столкновений частиц пыли. Это могло бы объяснить, как небольшим «комкам» пыли вдали от звезды удается вырастать до планетезималей. С другой стороны, сами планеты могут быть причиной возникновения спиральных рукавов. Чтобы понять, являются рукава причиной или следствием формирования небесных тел, необходимы дополнительные наблюдения.
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. 
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.
Планеты образуются из того же облака газа и пыли, что и звезда-"хозяин". На сегодня существуют две наиболее популярные гипотезы их формирования. Согласно первой, планеты образуются из небольших фрагментов газа и пыли, которые сталкиваются друг с другом, постепенно формируя все более массивные фрагменты. Вторая гипотеза, известная как гипотеза гравитационной неустойчивости, утверждает, что под воздействием гравитационных возмущений исходное облако газа "разваливается" на отдельные более плотные сгустки, которые являются зачатками будущих планет.
Новые теории о возникновении планет
Недавно появилась теория, что первая стадия формирования планет протекает так, как предполагает гипотеза гравитационной неустойчивости. Затем газ в сгустке постепенно "стекается" к его внутренней части, формируя твердую сердцевину. Образовавшееся тело начинает накапливать дополнительную массу так, как предсказывает первая из описанных выше гипотез планетообразования. Нарождающаяся планета постепенно приближается к звезде, и, когда расстояние оказывается меньше некоторого критического значения, гравитация светила начинает интенсивно "стягивать" газ с планеты. можно посмотреть видео образования планет, согласно новой гипотезе.
В том случае, если планета приближается к звезде достаточно медленно, составляющее ее вещество успевает уплотниться и эффективно противостоит воздействию гравитации звезды. Такие объекты могут превращаться в крупные планеты. В некоторых случаях такие планеты могут подойти очень близко к звезде, и ей все же удастся "украсть" часть материи.
Новая гипотеза объясняет большое разнообразие внесолнечных планет (ученые их известно уже более 1,2 тысячи) - другие гипотезы пока не могут удовлетворительно описать формирование некоторых типов планет. Тем не менее, коллеги ученых скептически отнеслись к их идее, так как на сегодняшний день не существует фактических доказательств в пользу ее правомерности.
Дата добавления: 2018-06-01; просмотров: 984; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!