Метанольные мазеры рассказали о спиральных рукавах аккреционного диска молодой звезды

Наблюдения за вспышками микроволнового мазерного излучения, исходящими из области звездообразования G358.93-0.03 в созвездии Змееносца, позволили ученым подтвердить, что в аккреционном диске вокруг протозвезды в этой области есть спиральные рукава, и определить их параметры. Результаты исследования, которое провели ученые из Физического института имени П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) совместно с коллегами из Нидерландов, Японии, США и других стран, опубликованыexternal link, opens in a new tab в The Astronomical Journal. 

«Мы смогли сопоставить положение пятен — источников мазерного излучения — до и после вспышки. Оказалось, что пространственная структура мазерной области резко изменилась: плотное и компактное “спиральное” скопление, обнаруженное до вспышки, эволюционировало в дисперсную, “округлую”, более расширенную структуру после вспышки», — говорит соавтор исследования Ирина Вальтц, ведущий научный сотрудник лаборатории «Изучение быстропеременных процессов и спектроскопии» ФИАН.

Звезды образуются в плотных газопылевых облаках, где плотность вещества настолько велика, что оно начинает сжиматься под действием собственной гравитации и разогреваться, превращаясь в горячее и плотное ядро, протозвезду. Вокруг протозвезд образуются аккреционные диски из пыли и газа, откуда они черпают вещество для роста. Принципиальную роль в образовании звезд играют массивные звезды (с массами более восьми масс Солнца). Они провоцируют формирование рядом с собой менее массивных звезд, но процесс рождения и развития их самих изучен плохо, поскольку они погружены в непрозрачные турбулентные слои родительского облака и недоступны наблюдениям с помощью оптических телескопов. Поэтому ученые много внимания уделяют исследованию зарождающихся массивных звезд (MYSOexternal link, opens in a new tab, Massive Young Stellar Object) и, в частности, аккреционных дисков вокруг них.

В аккреционных дисках могут происходить взрывы, в ходе которых из диска сбрасываются излишки вещества, накопившиеся вокруг центрального объекта в процессе гравитационного сжатия. Этот процесс вызывает свечение окружающей материи в разных диапазонах, и для ученых особо интересно в этом случае мазерное излучение — микроволновый аналог лазерного излучения. 

В плотных газопылевых облаках содержится множество молекул, поэтому их второе название — «молекулярные газопылевые облака». На сегодняшний день в космосе открыто более 10 тысяч химических соединений. В основном они излучают так называемые тепловые спектральные линии, которые формируются в условиях термодинамического равновесия. Но некоторые молекулы, имеющие специфические особенности уровней энергии (метастабильные состояния), излучают мазерные линии. В отличие от теплового, мазерное излучение, как и лазерное, является «вынужденным», поскольку требует постоянный приток энергии (то есть нуждается в «накачке»), который создается либо излучением молодой протозвезды, либо столкновениями с молекулами газа. При этом населенность более высоких энергетических уровней оказывается больше, чем населенность более низких равновесных уровней. Астрономы сейчас чаще всего наблюдают мазерное излучение от четырех молекул: молекулы воды (H₂O), гидроксила (OH), метилового спирта (CH₃OH) и монооксида кремния (SiO).

Область звездообразования G358.93-0.03 на снимке Млечного пути с телескопа WISE (выделена красным кружком) NASA

В январе 2019 года японские астрономы обнаружили вспышку в линии метанола (частота — 6,7 гигагерц), исходящую из области звездообразования G358.93-0.03, откуда ранее наблюдалось излучение в инфракрасном диапазоне. Область G358.93-0.03 расположена на расстоянии в 6,75 килопарсека от Солнца. В ней скрыты восемь «растущих протозвезд», которым были присвоены индексы от MM1 до ММ8.

Протозвезды MM1–MM8 в области G358.93−0.03, по данным радиоинтерферометра ALMA C. L. Brogan et al., 2019, ApJL

Через несколько месяцев после вспышки, в марте-апреле 2019 года, в этом же источнике интерферометры SMAexternal link, opens in a new tab и ALMA зафиксировали изменения потока в молекулярных мазерных линиях метанола в субмиллиметровом диапазоне (частота — 199–361 гигагерц, длина волны соответственно — 1,5–0,87 миллиметра). Было открыто и исследованоexternal link, opens in a new tab 14 новых метанольных мазерных линий, которые ассоциировались с ядром ММ1.

Так был замечен аккреционный взрыв, который вызвал резкое увеличение яркости мазерного излучения вокруг плотного протозвездного ядра. Размер аккреционного диска вокруг ядра ММ1 составляет примерно 675 астрономических единиц, то есть в 675 раз больше дистанции от Земли до Солнца. А область, в которой находятся метанольные мазеры вокруг ядра, имеет размер 1350 астрономических eдиниц. Для сравнения: размер Солнечной системы — 40 астрономических единиц.

Изменение потока в мазерных линиях в G358.93-0.03 побудило астрономов к проведению всестороннего исследования этого явления. Было решено проверить гипотезу, что вспышки были вызваны очень редким и коротким по времени явлением — взрывом аккрецирующего плотного протозвездного ядра ММ1. Для этого «Сообщество мазерной астрономии» (Maser Monitoring Organizationexternal link, opens in a new tab) организовало непрерывные систематические наблюдения источника G358.93-0.03 как на одиночных телескопах, так и на интерферометрах.

Сотрудники Астрокосмического центра ФИАН совместно с коллегами из других стран подали заявку на наблюдения с помощью интерферометра VLAexternal link, opens in a new tab в США, состоящего из 27 антенн диаметром 25 метров, связанных общим кабелем, то есть работающих как однозеркальный телескоп размером около 36 километров в диаметре. Интерферометр позволяет не только измерять потоки от источника, но и строить карты всех его пространственных компонентов. Заявка была принята, наблюдения состоялись в январе и июле 2019 года.

Астрономы ФИАН исследовали мазерное излучение от ММ1 на частотах 6181.13, 6668.52, 12178.6, 12 229.35, 20346.86, 20970.62 и 23121.02 мегагерц в семи переходах в молекуле метанола и обнаружили, что все вспышки метанольных мазеров исходят из одной области, но при этом пространственное распределение метанольных мазеров в ней резко меняется.

В частности, до взрыва метанольные мазеры на частотах 6.67, 12.18 и 23.12 гигагерц находились в вытянутых областях в направлении от северо-востока к юго-западу. После вспышки в них прослеживаются дугообразные структуры. При этом область нахождения мазеров расширялась, а градиент скорости уменьшался. Кроме того, ученые точно рассчитали положение трех новых метанольных мазеров на частотах 6.18, 12.23 и 20.97 гигагерц и представили их первые изображения.

Реконструкция положения спиральных рукавов вокруг MM1 Chen et al./MPIA

Ученые полагают, что все наблюдаемые мазеры являются частью спиральных рукавов внутри аккреционного диска, которые были предсказаны ранее, и гипотеза о наличии спиральных рукавов в источнике G358.93-0.03 подтверждается сравнением распределения мазерных пятен в наблюдениях на VLA с их распределением, полученным в предыдущих наблюдениях на интерферометре ALMA. Кроме того, ранее при исследовании вспышки были открытыexternal link, opens in a new tab три новых мазера: на очень редких молекулах HDO (полутяжелая вода) и HNCO (изоциановая кислота) и на молекуле метанола с тяжелым изотопом углерода 13CH3OH, причем именно эти три редких мазера указали на спиральную структуру вокруг ММ1.

«Для оценки эволюции мазерного распределения в наблюдениях на VLA области мазерного излучения в источнике G358.93-0.03 было рассмотрено положение пиков мазерного излучения. Были обнаружены два пика плотности, которые можно интерпретировать как поворотные точки спиральных рукавов», — поясняет Ирина Вальтц.

Полученные данные проливают свет на локальные физические условия в метанольных мазерах. Пространственное распределение мазеров позволяет выявить распределение температуры, плотности и усиления излучения в области их нахождения, а кинематика мазерных пятен — проследить за движением газа. В дальнейшем это поможет лучше понять, как меняется структура аккреционного диска протозвезды.

«Мы наблюдали интересный для нас объект, в котором идет процесс образования протозвезды. Основная цель наших исследований — накопление данных о поведении мазерных источников в окрестностях аккрецирующих дисков, что позволит уточнить параметры этих дисков и проследить самые ранние стадии формирования массивных протозвезд», — заключает Ирина Вальтц.