В созвездии Павлина столкнулись две планеты

Ученые считают, что планеты и прочие тела, вращающиеся вокруг звезд, образуются из того же вещества, что и сами звезды. Когда излучение молодого светила выметает легкий газ из внутренних областей протозвездной туманности, оставшиеся здесь крохотные пылинки со временем слипаются в песчинки. Те объединяются во все более крупные булыжники и утесы, пока из последних наконец не образуются достаточно крупные тела, которые начинают собирать на себя окружающую пыль, песок и булыжники.

Пыль на спектре

Происходит это в первые десятки, максимум сотни миллионов лет после появления самой звезды. Поэтому именно вокруг молодых звезд астрономы ищут следы этих пылевых дисков. И иногда находят. Один из самых известных примеров – диск вокруг звезды β («Бета») южного созвездия Живописца (β Pictoris, β Pic). Его можно разглядеть даже с помощью наземных телескопов, затемнив яркую центральную звезду. А с космического телескопа имени Хаббла это и вовсе не представляет никакой проблемы.

Тем не менее основной способ поиска таких дисков – исследование спектров молодых звезд. Они нагревают пыль, из которой суждено образоваться планетам, и она сама начинает светиться. Максимум этого излучения, как правило, приходится на инфракрасную область, поэтому протопланетные диски астрономы ищут в так называемых звездах с инфракрасным избытком, в инфракрасных областях спектров которых проявляются необычные «горбы» и «нашлепки». По положению этих «горбов» можно даже оценить, где именно кружит пыль: максимум спектра зависит от температуры пыли, а ее в свою очередь определяют светимость звезды и то самое расстояние.

Но помимо общего теплового излучения в спектре иногда отпечатываются линии отдельных молекул или их комбинации, характерные для конкретных минералов, из которых состоят частички пыли. В этом случае у астрономов появляется шанс понять не только геометрические параметры системы, но и физические условия, в которых она существует, и даже иногда историю ее возникновения.

Звезда в Павлине

Ровно такая история приключилась со звездой HD 172555, которая расположена примерно в 95 световых годах от Земли в направлении созвездия Павлина. Это молодая белая звезда спектрального класса A примерно 5-й звездной величины. Если вы находитесь в Южном полушарии, можете попытаться отыскать ее невооруженным глазом рядом со звездой θ («Тета») созвездия Павлина (координаты – 18^h45^min прямого восхождения и -64^o52’ склонения).

Эта звезда – близкая родственница уже упоминавшейся β Живописца; судя по всему, они родились в одной области звездообразования около 10-12 млн лет назад (хотя по их относительному расположению на небе этого не скажешь). Кроме того, в ее спектре тоже есть инфракрасный избыток, который еще в 1983 году обнаружила одна из первых инфракрасных космических обсерваторий – спутник IRAS.

Недавно астрономы под руководством Кери (он же Кейси) Лисса из американского университета имени Джона Хопкинса получили подробный спектр HD 172555 с помощью «наследницы» IRAS – космической обсерватории имени Лаймана Спитцера. И нашли в полученном спектре свидетельства недавнего по астрономическим меркам катаклизма, случившегося в протопланетном диске вокруг этой звезды. Результаты анализа приняты в Astrophysical Journal и доступны в архиве электронных препринтов Корнельского университета.

Столкновение миров

Лисс – специалист по космическим катаклизмам. Он был одним из главных действующих лиц в эпопее по скидыванию 370-килограммовой медной болванки на ядро кометы Темпля-1 в рамках миссии Deep Impact. И до сих пор продолжает анализировать результаты того достижения человечества. Проводимые исследования позволили ему понять, что и в системе HD 172555 недавно произошло столкновение, но гораздо более значительных масштабов.

Ученые нашли в спектре звезды и протопланетного диска (диск слишком маленький, чтобы его можно было разглядеть отдельно) несколько компонент, разобраться в которых было непростой задачей. Самая заметная линия (скорее даже полоса, да еще с «плечом») принадлежит твердым частичкам диоксида кремния SiO₂. Они представлены в аморфной, стекловидной форме, как в вулканическом стекле -- обсидиане, и в метеоритных стеклах -- тектитах. Другие части спектра также выдают большое количество монооксида кремния SiO в газовой фазе и множество пыли, частицы которой настолько велики, что светятся, как черное тело. А потому определить, из чего они состоят, пока невозможно. Весь этот материал рассыпан вдоль кольца радиусом примерно 900 млн км.

Появилось же это вещество не более чем 100 тыс., а то и всего лишь несколько тысяч лет назад.  Ученые установили, что среди аморфных частиц слишком много мелких пылинок размером до 1/10 микрона каждая. Их размеры распределены по степенному закону с показателем -3,9, в то время как равновесное распределение, к которому частички за счет постоянных столкновений приходят за десятки тысяч лет, обладает показателем -3,5. Кроме того, количество монооксида кремния в газовой фазе также слишком велико – он быстро конденсируется в твердые частицы на примерно тех же временных масштабах.

Лисс и его коллеги из США, Великобритании, Японии и Франции перебрали несколько вариантов происхождения этого богатого кремнием материала, однако объяснить все наблюдаемые  характеристики смогли лишь модели, где имело место столкновение двух каменных астероидов или планет земного типа. Чтобы получились газ и частицы наблюдаемого состава, столкновение должно было произойти на высокой скорости – не меньше 10 км/с. Притом столкнуться должны были достаточно крупные тела: полная масса всего распыленного материала составляет порядка 10²² кг – это масса крупного, размером в 1 тыс. км астероида.

Что на что похоже

До сих пор астрономам была известна лишь одна подобная система, да и то под знаком вопроса. Около года назад в спектре небольшой звезды HD 23514 из скопления Плеяд нашлись очень похожие признаки. Правда, там речь шла просто о большом количестве пыли, которая не могла быть реликтом эпохи формирования звезды (за 100 млн лет со времени появления HD 23514 ее бы уже давно вымело излучением светила). В случае с HD 172555 удалось прикинуть и возраст, и химический состав пыли, и условия, при которых она образовалась.

Впрочем, в том, что такие столкновения в молодых планетных системах должны происходить, сомнений у астрономов нет. Считается, что Луна появилась из вещества, выброшенного с молодой Земли при столкновении с крупным телом (размером примерно с Марс) на заре существования Солнечной системы. Вполне вероятно, что именно столкновением с крупным объектом объясняется и непохожесть двух полушарий Марса.

Кроме того, именно такой удар, судя по всему, лишил Меркурий внешних, менее плотных областей его мантии, благодаря чему у этой планеты сейчас аномально высокая средняя плотность. Именно такой сценарий кажется наиболее вероятным Лиссу и его коллегам. 900 млн км вокруг яркой звезды спектрального класса A по физическим условиям соответствуют примерно внешней границе зоны каменистых планет в Солнечной системе.

А отсутствие заметных примесей тяжелых элементов заставляет ученых предположить, что столкнувшиеся тела уже были разделены на слои. Верхняя богатая кремнием мантия рассыпалась от удара, полагают авторы работы. При этом ударе образовались крохотные стекляшки аморфного SiO₂ и большое количество монооксида кремния SiO; крупные же обломки составили ту пыль, что выдает себя чернотельным излучением.

А вот железное ядро, может быть, до сих пор крутится по орбите, обрастая новой внешней оболочкой. Обнаружить его с Земли пока нельзя.