Три звезды в созвездии Ориона разорвали свой протопланетный диск

Группа астрономов впервые получила прямое наблюдательное доказательство того, как протопланетный диск может разрушаться группой его родительских звезд, в результате чего он деформируется и в нем появляются наклонные кольцевые структуры. Новое исследование позволяет допустить, что в таких наклонных кольцах внутри изогнутых протопланетных дисков могут образовываться экзотические планеты. Данные получены в результате совместных наблюдений с Очень Большим телескопом Европейской Южной обсерватории (VLT ESO) и Большой миллиметровой и субмиллиметровой антенной решеткой ALMA. Об исследовании сообщается в пресс-релизе ESO.

Солнечная система отличается высокой степенью уплощенности — все планеты обращаются вокруг Солнца примерно в одной плоскости. Но иногда бывает и совсем иначе, в особенности в протопланетных дисках вокруг кратных звезд. Именно таким и был объект нового исследования: кратная система GW Ориона, расположенная на расстоянии более 1300 световых лет от нас в созвездии Ориона. Она состоит из трех звезд и деформированного, разорванного на части, диска вокруг них.

«Полученные нами изображения показывают, что перед нами экстремальный случай протопланетного диска: он совершенно не плоский, а изогнутый и содержит кольцо со смещенным центром, оторванное от самого диска», — говорит руководитель исследования, профессор астрофизики из Эксетерского университета Стефан Краус (Stefan Kraus). Смещенное кольцо расположено во внутренней части диска, вблизи тройки центральных звезд.

Исследование также показывает, что во внутреннем кольце содержится пыль в количестве около 30 масс Земли, достаточном для образования планет. «Любые планеты, которые сформируются в этом смещенном пылевом кольце, будут обращаться вокруг центральных звезд по сильно наклоненным орбитам. Мы можем предсказать, что в ходе будущих наблюдательных кампаний по получению изображений планет, например, наблюдений на сверхтелескопе ELT, будет открыто много планет с большим наклонением орбит, далеко отстоящих от материнских звезд», — говорит член исследовательской группы, сотрудник  Эксетерского университета Александр Креплин (Alexander Kreplin). Так как на небе более половины всех звезд рождается с одним или более компаньонами, появляется интересная возможность существования пока неизвестного нам семейства экзопланет, обращающихся вокруг своих звезд по очень сильно наклоненным и удаленным орбитам.

Чтобы прийти к таким выводам, группа наблюдала GW Ori более 11 лет, начиная с 2008 года. Вначале астрономы использовали приемник AMBER, а затем инструмент GRAVITY, работающий в составе интерферометра ESO VLTI в Чили. При наблюдениях этим методом удается сложить световые сигналы от нескольких входящих в комплекс VLT телескопов. Таким образом были подробно исследованы движения всех трех входящих в систему звезд в процессе их гравитационного «танца» и вычислены их орбиты. «Мы обнаружили, что эти три звезды не обращаются в одной плоскости, но что их орбиты смещены друг относительно друга и относительно диска», — говорит Элисон Янг (Alison Young), сотрудница университетов в Эксетере и Лестере.

Астрономы также наблюдали эту тройную систему с приемником SPHERE на телескопе ESO VLT и с антенной решеткой ALMA, партнером по эксплуатации которой является ESO. В результате они смогли получить изображение внутреннего кольца и подтвердить его эксцентричность. Использование приемника ESO SPHERE также позволило им впервые увидеть тень, которую кольцо отбрасывает на диск. Таким образом исследователи сумели вычислить 3D-форму кольца и всего диска в целом.

Затем исследовательская группа, куда входили ученые из Великобритании, Бельгии, Чили, Франции и США, дополнила свои всесторонние наблюдения компьютерным моделированием, чтобы окончательно разобраться с тем, что произошло в этой системе. Астрономам впервые удалось уверенно связать наблюдаемые отклонения от концентричности с теоретическим «эффектом разрыва диска», который состоит в том, что соперничающие друг с другом гравитационные силы звезд, действующие в различных плоскостях, могут искривить и разорвать протопланетный диск в системе.

Компьютерное моделирование показало, что рассогласование орбит трех звезд системы могло привести к разделению диска вокруг них на отдельные дисковые фрагменты. Именно такая картина и предстает из наблюдений. Наблюдаемая форма внутреннего кольца также соответствует предсказаниям, которые можно сделать на основе выполненного численного моделирования процесса разрыва диска.

Интересно, что другая группа, изучавшая ту же систему с антенной решеткой ALMA, считает, что для понимания процессов, происходящих в системе, нужна еще одна составляющая. «Мы считаем, что для того, чтобы объяснить, почему диск разорван, необходимо допустить присутствие планеты между кольцами», — говорит Цзяцин Би (Jiaqing Bi) из Университета Виктории в Канаде, который руководил исследованием GW Orionis, опубликованным в The Astrophysical Journal Letters в мае нынешнего года. Его группа по данным, полученным на ALMA, выявила три пылевых кольца, при этом самое внешнее из них оказалось самым большим из всех, когда-либо наблюдавшихся в протопланетных дисках.

Исследование опубликовано в журнале Science.