Отправляет email-рассылки с помощью сервиса Sendsay

"Элементы": новости науки

Подписаться Бесплатная «Золотая» новостная рассылка Подписчиков 12.967 RSS
←   Июль 2008   →
 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31


За последние 60 дней ни разу не выходила


Сайт рассылки: http://elementy.ru
Открыта: 09-05-2006

Автор
Редакция сайта "Элементы"

Статистика

12.967 подписчиков
0 за неделю
←   Все выпуски   →

Молекулы в дисках вокруг коричневых карликов: указания для будущих открытий


Научно-популярная библиотека на «Элементах»

В. Н. Тутубалин и др. Математическое моделирование в экологии: Историко-методологический анализ.

Книга о реальной эффективности применения математических моделей в экологии и других науках, о «колодках мышления» и о чернобыльской катастрофе.

Молекулы в дисках вокруг коричневых карликов: указания для будущих открытий

07.07.2008

Рис. 1. Слева: изображение звезды Т Тельца, полученное в инфракрасном диапазоне (длина волны 2 мкм). Справа: изображение двойного коричневого карлика 1534-2952AB в созвездии Весов, полученное в инфракрасном диапазоне (длина волны 2 мкм). Изображения с сайтов www.ipac.caltech.edu/2mass и www.ifa.hawaii.edu
Рис. 1. Слева: изображение звезды Т Тельца, полученное в инфракрасном диапазоне (длина волны 2 мкм). Справа: изображение двойного коричневого карлика 1534-2952AB в созвездии Весов, полученное в инфракрасном диапазоне (длина волны 2 мкм). Изображения с сайта проекта 2MASS (The Two Micron All Sky Survey) и сайта Гавайского университета

Какие молекулы должны образовываться в дисках коричневых карликов? Как химический состав этих дисков зависит от их физических свойств? Ответ на эти вопросы дает разработанная российскими учеными уникальная численная модель, в которой учтены все важнейшие физические и химические процессы в дисках.

Коричневые карлики стали известны астрономам совсем недавно. Первый из них обнаружен в 1995 году. А то, что эти объекты могут быть окружены дисками подобно маломассивным звездам типа T Тельца (T Tauri star), обнаружилось только в 2001 году. Масса дисков вокруг коричневых карликов невелика — она варьирует в пределах от 0,4 до 5,7 масс Юпитера, что делает эти диски трудными для наблюдения: во-первых, нужны инструменты высокой чувствительности для приема слабого сигнала, а во-вторых — хорошее угловое разрешение для обнаружения структур малого размера (подробнее о чувствительности и угловом разрешении см.: ! Вся история звездообразования в одной фотографии, «Элементы», 10.06.2008»).

Коричневые карлики — промежуточное звено между планетами и звездами. По определению, коричневый карлик — это объект, масса которого недостаточна для долговременного поддержания термоядерных реакций превращения водорода в гелий, но достаточна для кратковременного горения дейтерия. Массы коричневых карликов заключены в пределах примерно от 13 до 80 масс Юпитера (от 0,01 до 0,08 масс Солнца).
Звезды типа Т Тельца — это молодые звезды с массой менее 2 масс Солнца и переменным блеском. Переменность связана с наличием диска, вращающегося вокруг звезды. Поскольку физическая причина переменности блеска этих звезд одинакова, их относят к общему классу «звезд типа Т Тельца», по имени первой молодой звезды, где такая переменность была обнаружена. Часть вещества диска (газ и пыль) постепенно приближается всё ближе и ближе к звезде и, в конце концов, падает на нее (аккрецирует); часть вещества участвует в образовании планетной системы вокруг звезды, а часть выбрасывается наружу. Вероятно, несколько миллиардов лет назад звездой типа Т Тельца было и наше Солнце.

Диски не излучают в видимом свете, как, например, Солнце, но в них можно наблюдать излучение различных молекул в инфракрасном (порядка 10–100 микрон) и миллиметровом диапазонах длин волн. При подготовке к наблюдениям на телескопах мирового уровня нужно сначала на основе теории сделать выводы о том, излучение каких молекул нужно наблюдать в дисках, чтобы эффективно исследовать их природу.

Дмитрий Вибе из Института астрономии РАН (Москва) и группой под руководством Томаса Хеннинга из Института астрономии Общества им. Макса Планка (Гейдельберг, Германия) разработали численную модель, учитывающую все основные физические и химические процессы, протекающие в газово-пылевых дисках вокруг коричневых карликов и звездах типа T Тельца. В эту модель включено около 500 химических компонентов (молекул, атомов и ионов) и примерно 5000 химических реакций.

По результатам моделирования оказалось, что диски у звезд типа T Тельца должны быть более горячими, плотными и тонкими (см. рис. 2), чем диски у коричневых карликов. Авторы рассмотрели два различных типа дисков вокруг коричневых карликов — с высокой и низкой скоростью аккреции (то есть скоростью падения вещества диска на центральный объект). Высокая скорость равна двум миллиардным долям массы Солнца в год (210–9 MСол в год; обычное значение для звезд типа T Тельца), низкая — в 2000 раз меньше (210–12 MСол в год; это значение, вероятно, свойственно дискам у наименее массивных коричневых карликов). Оказалось, что в диске с низким темпом аккреции вещество распределено почти равномерно (рис. 2), в то время как в диске с высоким темпом аккреции поверхностная плотность в центре на три п! орядка выше, чем на краю, так же, как и в диске, окружающем молодую звезду.

Рис. 2. Поверхностная плотность дисков (а), ширина дисков (б), плотность газа (в) и температура газа (с) в дисках. Синей сплошной линией обозначены результаты для околозвездного диска, зеленым пунктиром — результаты для диска коричневого карлика с высокой, а красным — с низкой скоростью аккреции. Все графики показаны в логарифмической шкале. Рис. из обсуждаемой статьи Вибе Д. З., Семенов Д. А., Хеннинг Т. «Молекулярная структура дисков коричневых карликов»
Рис. 2. Поверхностная плотность дисков (а), ширина дисков (б), плотность газа (в) и температура газа (с) в дисках. Синей сплошной линией обозначены результаты для околозвездного диска, зеленым пунктиром — результаты для диска коричневого карлика с высокой, а красным — с низкой скоростью аккреции. Все графики показаны в логарифмической шкале. Рис. из обсуждаемой статьи Вибе Д. З., Семенов Д. А., Хеннинг Т. «Молекулярная структура дисков коричневых карликов»

Температура и плотность газа и пыли, а также интенсивность ультрафиолетового и рентгеновского излучения центрального объекта — вот что определяет образование и разрушение молекул в дисках вокруг звезд и коричневых карликов. Основные различия между этими параметрами в моделях, рассмотренных авторами, появляются в теплом молекулярном слое на расстояниях от 1 а. е. до 100 а. е. от центрального источника излучения (а. е., астрономическая единица — среднее расстояние от Земли до Солнца, оно равно 150 млн км).

Диски вокруг звезды типа Т Тельца и коричневого карлика с высокой скоростью аккреции очень плотны, поэтому рентгеновское излучение центрального источника в них почти не проникает, чего нельзя сказать о диске коричневого карлика с малой скоростью аккреции — оно хорошо проникает в глубокие слои диска и ионизует вещество. Поэтому в первом и втором случаях количество электронов может составлять один на десять тысяч миллионов частиц (10–13), а в третьем не падает ниже одной десятимиллионной доли (10–9). Результаты расчетов показаны на рис. 3. Хотя оба этих значения кажутся очень малыми, эффективность взаимодействия вещества этих дисков с межзвездным магнитным полем будет существенно различаться.

Рис. 3. Степень ионизации в дисках. Горизонтальная ось — расстояние от центрального источника, вертикальная — высота над экваториальной плоскостью диска. Боковая цветная шкала показывает, какая доля относительно общего числа частиц газа приходится на свободные электроны. Верхняя панель — диск вокруг звезды типа Т Тельца, средняя и нижняя — диски коричневых карликов с высокой и низкой скоростью аккреции соответственно. Основным ионом в околозвездном диске является ион магния Mg+, ионы HCO+ и H3+ — в диске вокруг коричневых карликов с высокой и низкой скоростью аккреции соответственно. Все графики показаны в логарифмической шкале. Рис. из обсуждаемой статьи Вибе Д. З., Семенов Д. А., Хеннинг Т. «Молекулярная структура дисков коричневых карликов»
Рис. 3. Степень ионизации в дисках. Горизонтальная ось — расстояние от центрального источника, вертикальная — высота над экваториальной плоскостью диска. Боковая цветная шкала показывает, какая доля относительно общего числа частиц газа приходится на свободные электроны. Верхняя панель — диск вокруг звезды типа Т Тельца, средняя и нижняя — диски коричневых карликов с высокой и низкой скоростью аккреции соответственно. Основным ионом в околозвездном диске является ион магния Mg+, ионы HCO+ и H3+ — в диске вокруг коричневых карликов с высокой и низкой скоростью аккреции соответственно. Все графики показаны в логарифмической шкале. Рис. из обсуждаемой статьи Вибе Д. З., Семенов Д. А., Хеннинг Т. «Молекулярная структура дисков кор! ичневых карликов»

Еще одной интересной особенностью дисков является наличие так называемой «зоны мантий» — области посреди теплого молекулярного слоя, в которой молекулы прилипают (обычно для этого используется термин «вымораживаются») к пылинкам, окружая их ледяными «мантиями». На рис. 4 в качестве примера показано содержание молекулярного азота N2 во всех трех моделях диска. В «зоне мантий» (синие области), как ни странно, относительно высокая температура газа не только не препятствует образованию ледяных оболочек, но даже способствует ему. Дело в том, что здесь помимо температуры газа на протекание химических процессов влияет энергия десорбции молекул, то есть энергия, которую нужно приложить к молекуле, чтобы оторвать ее от пылинки.

В центральной области диска холодно, химические реакции там почти не идут, и почти все атомы азота связаны в молекулы N2 с небольшой энергией десорбции, которые очень плохо прилипают к пылинкам. Если же подняться чуть выше над плоскостью диска, температура газа начинает расти, и в нём активизируется образование молекул аммиака NH3. С другой стороны, в этой зоне всё равно холодно для того, чтобы вновь синтезированный аммиак, прилипнув к пылинке, испарился с нее обратно, потому что энергия десорбции NH3 гораздо выше, чем у N2. В результате атомы азота переходят из молекулярного азота в аммиак, примерзают к пылинкам и «застревают» на них, а содержание молекулярного азота в газе резко падает. Еще выше температура поднимается настолько, что даже «тугоплавкие» аммиачные мантии на пылинках не образуются.

«Зона мантий» присутствует в околозвездном диске и, частично, в диске вокруг коричневого карлика с высокой скоростью аккреции, но практически отсутствует в диске коричневого карлика с низкой скоростью аккреции. Молекулы N2 в нём разрушаются рентгеновским излучением коричневого карлика. Точно так же, как молекулы N2, ведут себя в газовой фазе молекулы кислорода O2 и важнейшие межзвездные молекулы оксида углерода CO. В «зоне мантий» на поверхностях пылинок присутствует также вода, которая вместе с другими примесями (аммиак, метан и др.) образует оболочку «грязного» льда вокруг ядра пылинки.

Рис. 4. Содержание молекул азота N2 в дисках. Горизонтальная ось — расстояние от центрального источника, вертикальная — высота над экваториальной плоскостью диска. Боковая цветная шкала показывает, какая доля относительно общего числа частиц газа приходится на молекулы азота. Верхняя панель — диск вокруг звезды типа Т Тельца, средняя и нижняя — диски коричневых карликов с высокой и низкой скоростью аккреции соответственно. «Зона мантий» — это область внутри диска, где содержание молекул резко падает из-за вымораживания молекул на пылинках (не путать с поверхностью диска, где молекулы разрушаются жестким излучением центрального источника!). Все графики показаны в логарифмической шкале. Рис. из обсуждаемой статьи Вибе Д. З., Семенов Д. А., Хеннинг Т. «Молекулярная ст! руктура дисков коричневых карликов»
Рис. 4. Содержание молекул азота N2 в дисках. Горизонтальная ось — расстояние от центрального источника, вертикальная — высота над экваториальной плоскостью диска. Боковая цветная шкала показывает, какая доля относительно общего числа частиц газа приходится на молекулы азота. Верхняя панель — диск вокруг звезды типа Т Тельца, средняя и нижняя — диски коричневых карликов с высокой и низкой скоростью аккреции соответственно. «Зона мантий» — это область внутри диска, где содержание молекул резко падает из-за вымораживания молекул на пылинках (не путать с поверхностью диска, где молекулы разрушаются жестким излучением центрального источника!). Все графики показаны в логарифмической шкале. Рис. из обсуждаемой статьи Вибе Д. З., Семенов Д. А., Хеннинг Т. «Молекулярная! структура дисков коричневых карликов»

Авторы рассмотрели широкий круг химических компонентов и выявили наличие двух отдельных групп молекул, содержание которых по-разному меняется в дисках. Характерные представители первой группы — CO, N2 и CS, концентрация которых меняется по мере удаления от центрального источника похожим образом в околозвездных дисках и дисках коричневых карликов с высокой скоростью аккреции. Распределения молекул показаны на рис. 5. Характерные представители второй группы — NH3, N2H+, HCO+, наоборот, распределены почти одинаково в дисках коричневых карликов как с высоким, так и с низким темпом аккреции, но их содержание намного выше в околозвездном диске.

Рис. 5. Распределение молекул в рассмотренных моделях. По горизонтальной оси отложено расстояние от центра диска вдоль его центральной плоскости, по вертикальной — концентрация химических компонент на луче зрения (количество молекул в столбце с длиной, равной размеру диска в данном направлении, с поперечным сечением один квадратный сантиметр) Синей сплошной линией обозначены результаты для околозвездного диска, зеленым пунктиром — результаты для диска у коричневого карлика с высокой, а красным — с низкой скоростью аккреции. Все графики показаны в логарифмической шкале. Рис. из обсуждаемой статьи Вибе Д. З., Семенов Д. А., Хеннинг Т. «Молекулярная структура дисков коричневых карликов»
Рис. 5. Распределение молекул в рассмотренных моделях. По горизонтальной оси отложено расстояние от центра диска вдоль его центральной плоскости, по вертикальной — концентрация химических компонент на луче зрения (количество молекул в столбце с длиной, равной размеру диска в данном направлении, с поперечным сечением один квадратный сантиметр) Синей сплошной линией обозначены результаты для околозвездного диска, зеленым пунктиром — результаты для диска у коричневого карлика с высокой, а красным — с низкой скоростью аккреции. Все графики показаны в логарифмической шкале. Рис. из обсуждаемой статьи Вибе Д. З., Семенов Д. А., Хеннинг Т. «Молекулярная структура дисков коричневых карликов»

Наличие особенностей в молекулярном составе рассмотренных дисков приводит к тому, что наблюдатель будет видеть излучение молекул от разных типов дисков по-разному: оно будет иметь неодинаковую яркость и будет приходить из разных областей диска. Всё это позволит правильно интерпретировать наблюдения молекулярного излучения в дисках и делать выводы о том, как они образуются и эволюционируют со временем и как, в конечном итоге, происходит образование планетных систем вокруг звезд и коричневых карликов.

На сегодняшний день для наблюдений дисков вокруг коричневых карликов доступны Космический телескоп им. Спитцера и интерферометр IRAM (Institut de Radio Astronomie Millimetrique, Институт миллиметровой астрономии, Плато-де-Бюр, Испания). Кроме того, через один-два года войдут в строй такие первоклассные инструменты, как интерферометр ALMA (Atacama Large Millimeter Array, Большая миллиметровая антенная решетка в Атакаме, Плато Чайнатор, Чили) и Космический телескоп им. Гершеля (William Herschel Telescope). Этой же командой исследователей уже сделаны первые теоретические предсказания о том, какими наблюдатель увидит околозвездные диски с помощью интерферометра ALMA. Современные наблюдательные средства очень дороги в изготовлении и эксплуатации, поэтому задачи, реш! аемые с их помощью, требуют от астрономов проработки плана исследований до мельчайших подробностей и практически не дают им права на ошибку.

Источники:
1) Вибе Д. З., Семенов Д. А., Хеннинг Т. «Молекулярная структура дисков коричневых карликов» // Астрономический журнал, в печати.
2) Semenov D., Pavlyuchenkov Ya., Henning Th., Wolf S., Launhardt R. Chemical and Thermal Structure of Protoplanetary Disks as observed with Alma // Astrophysical Journal, 673, 195.
3) Muench, A. A., Lada, E. A., Alves, J. A., Lada, C. J. Evidence for Circumstellar Disks around Young Brown Dwarfs in the Trapezium Cluster // Bulletin of the American Astronomical Society. V. 33. P. 891.

Мария Кирсанова

Эта новость на «Элементах»
 

Предыдущие новости

04.07 Риск вымирания редких видов может оказаться больше, чем мы думаем

Исследование американских биологов показывает, что принятые сейчас математические модели популяционной динамики могут сильно ошибаться в отношении небольших популяций. Возможно, потребуется пересмотр риска вымирания малочисленных видов.

03.07 Может ли история стать настоящей наукой?

По мнению многих экспертов, истории не дает стать строгой аналитической наукой огромная сложность человеческих обществ и принципиальные различия между странами и эпохами. Однако специальные исследования показали наличие в историческом процессе строгих математических закономерностей. Для их изучения предлагается создать новую науку — «клиодинамику».

02.07 О минувших потеплениях в Гренландии рассказывает пыльца растений

Пыльца растений, переносимая ветрами и стоком рек, попадает в прибрежные районы океана, где накапливается в донных отложениях. Анализ колонки грунта, взятой к югу-западу от Гренландии, показал, что за последние миллион лет количество пыльцы и ее состав менялись: минимальное количество пыльцы обнаруживается в тех слоях, которые соответствовали оледенениям, и наоборот.

01.07 Первые позвоночные начали осваивать сушу раньше, чем предполагалось

Массовые находки позволили более или менее полно описать одну из переходных форм между рыбами и тетраподами — вентастегу. Международная группа ученых, проведя комплексный анализ признаков этой формы, поместила ее между акантостегой и тактааликом. При этом известен вид, более древний чем вентастега, хотя он обладает комплексом более продвинутых черт.

30.06 Многофункциональные гены — основа для эволюционных новшеств

Многие гены выполняют в организме сразу две или более функций. При этом возникает «адаптивный конфликт»: мутации, улучшающие одну из функций, вредят другой и поэтому не могут закрепиться. Биологам из университета Дьюка (США) удалось показать на конкретном примере, что дупликация бифункционального гена приводит к разделению труда между возникшими копиями.
В избранное