Ветер и кольца: об экзотических звёздных классах Be и WR
Большинство звёзд относится к основным спектральным классам, от бело-голубых O до красных M. Проходя типичную звёздную эволюцию, они укладываются в знаменитую Главную Последовательность, раскинувшуюся по центру диаграммы Герцшпрунга-Расселла. Возможно, данная диаграмма была открыта и описана именно потому, что на данном этапе развития Вселенной в изобилии встречаются звёзды разных спектральных классов. В одной из публикаций я описывал, как диаграмма Герцшпрунга-Рассела может преобразиться в далёком будущем. В той и некоторых последующих статьях я затрагивал тему пекулярных звёзд, выбивающихся из Главной Последовательности прежде всего потому, что в них содержатся элементы тяжелее железа и никеля, которые не могут образоваться при термоядерном синтезе в ходе типичной звёздной эволюции. Пекулярные звёзды с высокой металличностью — удивительный класс объектов, интересовавших ещё Ивана Ефремова. Обнаружены и такие звёзды, вокруг которых не успевает сформироваться планетная система; вместо этого звезда обзаводится обширными кольцами и немного напоминает Сатурн. О таких причудливых объектах мы поговорим под катом.
Бывают звёзды окружённые планетами, бывают системы двойных и тройных звёзд, вероятно, бывают даже парные системы из звезды и чёрной дыры. Но это зрелые звёзды, большинство из которых обзавелось планетными системами и вошло в цикл волнообразного колебания активности, подобный 11-летнему солнечному циклу. Но существует ещё и целый класс молодых горячих голубых звёзд, которые только формируются в звёздных яслях. Звёздные ясли (stellar nursery) — это газопылевая туманность, в которой компактно сосредоточены молодые яркие звёзды, но в целом практически так же холодно, как и в межзвёздном пространстве.
По-видимому, молодые звёзды, находящиеся в «яслях» не только существенно отличаются от звёзд главной последовательности по химическому составу (содержат кроме водорода и гелия заметные количества более тяжёлых элементов), но и обладают сильными магнитными полями. Во-первых, поскольку звёзды в яслях расположены компактно, они влияют друг на друга; во-вторых, именно из-за необычного (пекулярного) химического состава звезда мешает формированию планетезималей и в дальнейшем — планет. Можно предположить, что звёзды с необычным химическим составом опознаются по нетипичной форме протопланетного диска или необычного «населения» эклиптики.
Теория формирования колец у звёзд спектрального класса Be
Так выглядит голубая звезда спектрального подкласса Be. Это один из видов звёзд, ещё не вышедших в главную последовательность. Звёзды Be обладают эффективной температурой от 10 000 до 30 000 K и светимостью III-V класса. Таким образом, по температуре они не уступают голубым сверхгигантам, но по размеру и объёму сверхгигантами не являются. Первой известной звездой такого рода считается гамма Кассиопеи, которую исследовал в 1866 году итальянский астроном Анджело Секки. Он обнаружил в непосредственной близости от неё вещество, дававшее на спектрографе эмиссионные линии — таким образом, он заключил, что эта звезда окружена не столь жаркой газовой оболочкой. Звезда выглядит приплюснутой, так как быстро вращается и, согласно современным представлениям, время от времени выбрасывает порции звёздного вещества. Из этого вещества в экваториальной плоскости звезды образуется газовый диск, в котором формируются пузыри газа. Между этими пузырями неизбежно возникают столкновения, в упрощённом виде пузыри демонстрируют такую физику:
1) Выравнивается распределение углового момента
2) Выравнивается распределение скорости
3) Рассеивание динамической энергии
Все эти факторы способствуют образованию околозвёздных колец, которые могут занимать несколько орбит.
Поскольку извергаемое вещество распределяется по орбитам на разных расстояниях от Be-звезды, отличается скорость вращения колец и степень их ионизации. Эти отличия также хорошо заметны в самом эмиссионном спектре. Пока звезда продолжает выбрасывать вещество в окружающее пространство, оболочка не стабилизируется, в ней будет сохраняться турбулентность с активным образованием пузырей и их перемешиванием, но не будут возникать планетезимали (зачатки планет). Ширина и активность перемешивания вещества в кольце будет во многом зависеть от его химического состава и скорости вращения. Система колец будет генерировать явственное магнитное поле, сила которого, однако, будет колебаться, а само магнитное поле — фиксироваться в широкой окрестности звезды. Поэтому звезда с магнитными кольцами должна явственно отличаться от пульсара или магнетара как по силе, так и по распределению магнитного поля (магнетар, будучи остатком нейтронной звезды, должен фиксироваться как значительно более мощный точечный источник магнитного поля).
Звёзды Вольфа-Райе
Это редкий класс сверхкрупных звёзд, представляющих собой специфическую позднюю стадию в развитии некоторых голубых гигантов. На Хабре звёзды Вольфа-Райе рассмотрены в замечательной статье уважаемого @GreenRediska. Такие звёзды названы в честь Шарля Вольфа и Жоржа Райе, впервые исследовавших их эмиссионные спектры в 1867 году. В Млечном Пути известно около 1000 таких звёзд, как правило, входящих в двойные системы, где вторая звезда — это голубой гигант класса B. Светимость звёзд Вольфа-Райе может в миллионы раз превышать солнечную, поэтому они уже обнаружены даже в галактике Андромеда, где таких звёзд известно около 30. Типичная звезда Вольфа-Райе (в астрономической номенклатуре их принято обозначать аббревиатурой WR+номер) — WR31a в созвездии Киля.
В таких звёздах гелия больше, чем водорода, а наряду с гелием в большом количестве содержатся более тяжёлые элементы, в частности, углерод. Поскольку звезда Вольфа-Райе является компонентом двойной системы, значительная часть её звёздного вещества выдувается в окружающее пространство под действием солнечного ветра, а также перетекает на звезду-компаньон. Именно поэтому звёзды Вольфа-Райе также в большей степени располагают к образованию колец. Динамику и спектр таких колец удалось в деталях изучить у звезды WR 140 (расположенной примерно в 5600 световых лет от Солнца), качественные снимки которой космический телескоп «Джеймс Уэбб» получил летом 2022 года.
Кольца вокруг гигантов
Система WR 140 состоит из двух массивных звёзд. Одна из них — голубой гигант спектрального класса O. Другая — собственно, звезда Вольфа-Райе, постоянно отбрасывающая в окружающее пространство облака водорода с примесью более тяжёлых элементов, в особенности углерода и азота. Два гиганта на очень близком расстоянии обращаются вокруг общего центра масс, совершая оборот менее чем за восемь лет.
Обе эти звезды обдувают друг друга сильнейшим встречным солнечным ветром, и на месте смешения потоков элементарных частиц образуются бурно вращающиеся потоки космической пыли, зафиксированные телескопом «James Webb» как система незамкнутых колец:
Кольца вращаются, то есть, по всей видимости, всё-таки являются замкнутыми, но с одной из сторон двойной системы они гораздо ярче, чем с другой (наиболее активная конденсация пыли наблюдается в левой части снимка). Сопоставляя данные с «James Webb» и с наземных телескопов, можно заключить, что система из 17 ярких колец у WR 140 имеет радиус около одного светового года. Вероятно, более тусклые кольца могут пролегать и дальше от звезды.
Как могли образоваться кольца
Теоретически, вся конфигурация колец и, в том числе, их асимметрия, должна объясняться орбитальными взаимодействиями двух звёзд. В 2022 году группа астрономов под руководством Райана Лау из обсерватории NOIRlab, Тусон, штат Аризона, построила модель, согласно которой наблюдаемые кольца образовались примерно за 130 лет, а на внутренних орбитах постоянно продолжают формироваться новые кольца, вытесняющие старые на периферию. Остывающее звёздное вещество постоянно удаляется в стороны от двойной звезды со скоростью около 2600 километров в секунду, подобно тому, как айсберги расплываются от Антарктиды. Эти кольца выдувает на периферию системы звёздный ветер.
Лау указывает, что двойные звёзды с концентрическими пылевыми кольцами не так уж и редки, их известно около 15 таких систем. Но именно благодаря тому, с какой детализацией удалось рассмотреть WR 140, было выяснено, что кольца не только совершают орбитальное движение, но и постоянно отдаляются от родительской звезды под напором более свежих и горячих колец.
Учитывая, что звезда Вольфа-Райе в WR 140 активно извергает углерод, кольца ожидаемо богаты органическими соединениями. Химические датчики Уэбба позволяют предположить, что эта химическая смесь очень разнообразна, и ни одно из веществ заметно не выделяется на фоне всей совокупности. Тем не менее, там определённо много полициклических ароматических углеводородов — бензола и его производных. Насколько известно из лабораторных моделей, такие молекулы действительно активно формируются под действием жёсткого излучения в среде, перенасыщенной углеродом и сравнительно бедной водородом.
Магнитные поля звёзд невозможно наблюдать и измерять напрямую, но наличие (а также сила и форма) этих магнитных полей уверенно выводится по спектральной сигнатуре колец. По-видимому, ближние кольца у WR-звёзд наряду с большим количеством углерода содержат азот, а их температура может достигать 50 000 кельвинов — вдвое выше, чем на поверхности звезды. Если бы газ просто рассеивался, то он должен был бы остывать, поэтому должен быть фактор, способствующий такому разогреву (при котором азот даже светится в видимом спектре). Предположительно, таким фактором может быть магнитное поле звезды. Если у звезды сильное магнитное поле, оно должно отражаться на форме потоков солнечного ветра. Потоки заряженных частиц не будут распространяться во всех направлениях равномерно. Самый тяжёлый химический элемент, образующийся в звёздах при обычном термоядерном синтезе — это железо (если не считать следовых количеств никеля). Звезда с сильным магнитным полем должна постепенно накапливать атомы железа на полюсах. В таком случае, сигнатура её «солнечного ветра» в полярных областях будет отличаться высоким содержанием железа, а в «средних широтах» будут преобладать атомы углерода и азота.
Немного фантазии
Я решил развёрнуто описать ситуацию с системами колец у горячих звёзд классов Be и WR, подумав, что они могли бы привлечь космическую сверхцивилизацию, желающую освоить заполнение орбит искусственными планетами с нуля. Фактически, окрестности WR-звезды заполнены ровным слоем важнейших элементов, из которых можно было бы «конденсировать» железокаменные планеты на нужном расстоянии от светила, в условной «зоне обитаемости». Магнитное поле служит «сеткой» для прокладки орбит, теоретически, его силой и ориентацией можно управлять. В результате складываются условия для создания искусственной планетной системы. Гипотетическая система с 416 планетами в зоне обитаемости описана в статье Шона Реймонда, перевод которой я однажды публиковал в этом блоге. Нуклеацию планет и обрастание их ядер звёздным веществом можно было бы организовать на максимально комфортных и безопасных орбитах, в том числе, укладывая на одной орбите по несколько планет или создавая парные планеты, обращающиеся вокруг общего центра масс. Более того, в одной системе можно было бы сделать как минимум две пересекающиеся эклиптики, подобные той конфигурации протопланетных облаков, которую «Джеймс Уэбб» недавно обнаружил у звезды бета Живописца.
Странно, что пока никто не догадался поискать в Галактике такое астроинженерное сооружение или хотя бы написать о нём фантастический роман.
