17 октября на сайте Science была опубликована статья с результатами опытов по моделированию образования струй вблизи молодых звезд. В этой работе описывается лабораторное изучение образования таких объектов и численный расчет сопутствующих процессов на астрономических масштабах. Мы попросили прокомментировать это исследование астронома Дмитрия Вибе.

Джеты — одно из самых зрелищных явлений в нашей Вселенной. Какие-то силы заставляют вещество собираться в тонкую струю, улетающую почти без рассеяния на расстояния, на много порядков превышающие размер источника. Типичным местом рождения джетов являются вращающиеся диски у молодых звездных объектов. Первоначально внимание наблюдателей привлекли даже не сами джеты, а те места, где они сталкиваются с окружающим плотным газом, нагревая его до высокой температуры и заставляя светиться. Эти яркие пятна поначалу казались самостоятельными образованиями и получили название объектов Хербига-Аро (Herbig-Haro) в честь астрономов, положивших начало их детальному изучению.

Рекомендуем по этой теме:
5565
Рождение звезд

Связь объектов Хербига-Аро с молодыми звездными объектами, точнее со струями вещества — джетами, бьющими в обе стороны от диска вдоль оси его вращения, прояснилась в начале 1980-х годов. Однако до сих пор неясен ни механизм ускорения вещества, ни механизм его коллимации, то есть фокусировки узкой струи, которая выстреливает со скоростью в сотни километров в секунду и уходит на десятки и сотни тысяч астрономических единиц от породившего ее диска (поперечником максимум в несколько сотен астрономических единиц).

Одно из основных объяснений связывает появление джета с взаимодействием между веществом диска и его магнитным полем. Вся конструкция имеет следующий вид: в центре находится протозвезда или молодая звезда, вокруг которой вращается газопылевой диск. Вещество диска постепенно приближается к центру, чтобы в конечном итоге упасть на звезду. Часть его из-за взаимодействия с магнитным полем срывается с поверхности диска и образует так называемый дисковый ветер, который разлетается от диска в виде конуса с довольно широким углом раствора. Магнитное поле, изначально имевшее полоидальную структуру (то есть его силовые линии проходили сквозь диск параллельно оси симметрии), увлекается вращением диска, закручивается вокруг центра, частично становясь тороидальным. Именно это тороидальное поле и фокусирует вещество ветра, собирая его в узкую струю.

Эта модель как будто бы не противоречит наблюдениям и подтверждается лабораторными экспериментами, однако у нее есть несколько недостатков, один из которых состоит в том, что в ней формирование джета существенно зависит от наличия окружающего вещества. Между тем наблюдения указывают, что джеты с равным успехом образуются и в протозвездных объектах, еще окруженных плотным газом, и в дисках молодых звезд, в окрестностях которых плотного вещества уже почти нет.

Международная группа ученых, в состав которой входят и представители нескольких российских институтов, опубликовала в журнале Science экспериментальное свидетельство того, что для фокусировки джета достаточно только полоидального поля. Конечно, воссоздать в лаборатории условия протозвездного объекта невозможно, поэтому речь пока идет просто о попытке получить струйное истечение вещества в полоидальном магнитном поле. В экспериментальной установке создавалось мощное магнитное поле, перпендикулярное поверхности мишени, а затем в мишень направлялся короткий лазерный импульс, создававший на ее поверхности крохотное раскаленное пятно. Расширение испарившегося вещества мишени от этого пятна имитирует распространение дискового ветра.

Эксперименты показали, что сильное магнитное поле не дает плазменному облаку расширяться «вбок» и остывать, направляя течение плазмы перпендикулярно мишени, «вверх». Плазма, которой не позволили остыть, все еще обладает огромной энергией, и дальше возникающей системе ударных волн остается только сфокусировать эту энергию в узкую струю, которая, по мнению авторов эксперимента, напоминает уменьшенную копию протозвездного джета. Чтобы подтвердить свою интерпретацию, авторы смоделировали ту же ситуацию численно и обнаружили, что результаты расчетов хорошо согласуются с результатами экспериментов при различной энергии лазера, различной напряженности магнитного поля и даже для случаев, когда они изменяли угол между мишенью и магнитным полем. По мнению авторов, их результаты доказывают, что механизм коллимации джета полоидальным магнитным полем работает в широком диапазоне условий, то есть не является чем-то уникальным и редко встречающимся. Более того, они повторили те же численные расчеты, но уже подставив в них параметры, характерные для молодых звездных объектов, и снова получили джеты. Авторы, конечно, не настаивают на том, что загадка джетов разрешена ими окончательно, но утверждают, что описанный ими механизм может работать.

Дело за малым — хорошо бы продемонстрировать при помощи наблюдений, что полоидальное магнитное поле в околозвездных дисках действительно есть. Пока подтвердить его наличие удавалось лишь на больших расстояниях от диска, поскольку для исследований внутренних областей диска, как правило, не хватает углового разрешения телескопов. Есть пока один случай, когда удалось восстановить геометрию магнитного поля в непосредственных окрестностях молодой звезды, конкретно звезды HL Tau. И вот ведь какая странность: полоидальное поле в этой системе отсутствует, а тороидальное наклонено к плоскости диска на 50°. Это, конечно, пока единственный результат, да еще и неоднозначный, но тем не менее он противоречит обеим моделям. Так что поле для дальнейшей работы все еще имеется.