Столкновение карликовых планет образовало огромный «кошачий хвост» 

Фото из открытых источников

Бета Пикторис (β Pictoris), молодая звезда главной последовательности, расположенная примерно в 63 световых годах от нас, известна тем, что у неё впервые был обнаружен диск из обломков, полученный прямым снимком. Три планеты в этом диске также были сфотографированы прямым снимком. Одна из них, Бета Пикторис c, является также самой близкой к своей звезде экзопланетой, которая когда-либо была сфотографирована прямым снимком.

β Pictoris является объектом многочисленных исследований из-за своего молодого возраста, близости к звезде, четко выраженного диска из обломков, а также потому, что ее геометрия позволяет проводить детальные наблюдения. В частности, телескопы могут получать изображения структуры ее диска с высоким разрешением, включая ее искривленную форму и асимметрию. Астрономы даже обнаружили свидетельства существования экзокомет в этой системе.

В статье, опубликованной в 2024 году, исследователи представили первые изображения β Pictoris и его обломочного диска, полученные телескопом JWST. «Мы впервые сообщаем о наличии протяженного вторичного диска в тепловом излучении, с изогнутым продолжением, отклонившимся от плоскости диска», — написали авторы. Они назвали его «кошачьим хвостом» и предположили, что он связан с другими особенностями, обнаруженными в диске: скоплением монооксида углерода, искривлением диска и «среднеинфракрасной асимметрией, обнаруженной на юго-западной стороне диска».

Необычные особенности, такие как «Кошачий хвост», простирающийся примерно на 1000 астрономических единиц, всегда вызывают интерес исследователей, желающих узнать, как он образовался. Новое исследование, проведенное ученым из Университета Аризоны, позволило выяснить, что создало эту необычную особенность. Исследование называется «Глубокое коронографическое изображение диска обломков β Pictoris, полученное с помощью HST/STIS: о компоненте рассеянного света «Кошачьего хвоста»» и опубликовано в журнале The Astrophysical Journal Letters. Ведущий автор — Арин Авсар из Лаборатории лунных и планетарных исследований Университета Аризоны.

«Обломковый диск β Pictoris представляет собой уникальную систему, в которой коронографическая съемка в среднем инфракрасном диапазоне с помощью телескопа JWST/Mid-Infrared Imager (MIRI) выявила новую пространственно разрешенную субструктуру, известную как «кошачий хвост», — пишут авторы. — Мы представляем подробные коронографические изображения β Pictoris, полученные с помощью космического телескопа Хаббл (HST)/спектрографа STIS (Space Telescope Imaging Spectrograph) в рассеянном свете», — добавляют авторы. Их наблюдения с помощью Хаббла были получены в шесть эпох в период с 2012 по 2025 год, и они использовали их для поиска рассеянного света от «кошачьего хвоста».

Диск β Pictoris можно увидеть в рассеянном свете именно потому, что это пылевой диск, а пыль рассеивает свет. Цвет и яркость рассеянного света позволяют определить свойства пыли, включая размер её зерен, их пористость и общий состав пыли. Определение этих свойств может объяснить происхождение пыли.

«Считается, что «Кошачий хвост» — это результат столкновения крупных тел, например, Плутона», — заявил ведущий автор исследования Авсар. «Как ни странно, ранее эта особенность наблюдалась только с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба, который регистрирует инфракрасное излучение, но оставалась невидимой на более коротких длинах волн, что долгое время ставило в тупик научное сообщество».

«Мы считаем, что "Кошачий хвост" до сих пор ускользал от наших наблюдений в видимом свете из-за того, из чего он состоит», — объяснил Авсар. «Он почти полностью состоит из того, что мы называем органическим тугоплавким материалом, который в значительной степени основан на углероде. Эти длинные цепочки атомов углерода поглощают видимый свет, поэтому они довольно черные».

Состав «Кошачьего хвоста», состоящий из органического тугоплавкого материала, является ключом к пониманию объектов, которые столкнулись и создали его. Как это исследование, так и исследование 2024 года показывают, что «Кошачий хвост» преимущественно состоит из пористого органического тугоплавкого материала. «В Солнечной системе органический тугоплавкий материал лучше всего воспроизводит красный спектр поверхности объектов пояса Койпера, в первую очередь Плутона», — пишут авторы. Космический аппарат НАСА «Новые горизонты» обнаружил толины, тип тугоплавкого органического соединения, на поверхности Плутона и на поверхности его компаньона, Харона. Но толины составляют лишь небольшую часть массы Плутона, чего недостаточно для создания «Кошачьего хвоста». «Это указывает на то, что органический материал из недр разрушенных планетезималов является вероятным источником органического тугоплавкого материала, обнаруженного в «Кошачьем хвосте».

«Это наводит на вопрос: содержат ли карликовые планеты в экзопоясах Койпера (таких как у β Pic) достаточно органического материала для образования «кошачьего хвоста»?» — пишут исследователи. Чтобы ответить на этот вопрос, они изучили количество органического вещества в местной межзвездной среде, что наложило ограничения на количество органического вещества, доступного в диске Бета Пикторис, где образовались сталкивающиеся объекты. Они также изучили количество органического вещества, присутствующего в комете 67P/Чурюмов-Герасименко, ледяном теле, посещенном миссией «Розетта» Европейского космического агентства.

Эти измерения позволили исследователям рассчитать, какой должна была быть суммарная масса столкнувшихся объектов, чтобы обеспечить достаточное количество тугоплавкого материала, необходимого для образования хвоста.

«Мы обнаружили, что каждое родительское тело должно было иметь массу примерно 1–3 × 10²¹ кг , чтобы произвести 2 × 10¹⁹ кг органических тугоплавких обломков в «Кошачьем хвосте», — пишут авторы. Это составляет несколько процентов массы Луны или примерно в 1–3 раза больше массы карликовой планеты Церера. Эти величины согласуются с оценками, приведенными в статье 2024 года, в которой впервые было обнаружено «Кошачье тело».

Исследователи также рассчитали размеры столкнувшихся объектов. Предполагая, что их плотность соответствовала плотности карликовых планет нашей Солнечной системы, радиусы объектов должны были составлять от 600 до 800 км. «Диапазон масс и радиусов аналогичен диапазону карликовых планет пояса Койпера, таких как Харон и Макемаке», — поясняют исследователи.

Одна из загадочных особенностей «Кошачьего хвоста» — размер и пористость частиц пыли. Они имеют микроскопические размеры и очень пористую структуру. «Никто не понимает, как могут образовываться такие мелкие частицы пыли с такой пористостью, как мы видим здесь, и именно поэтому мы изучаем эту особенность», — сказал Авсар.

«Вполне возможно, что скорости столкновений были настолько высоки, что частицы углерода испарялись, превращались в газ, а затем снова конденсировались по мере охлаждения, и именно поэтому они стали такими пористыми», — сказал соавтор исследования Кевин Вагнер из обсерватории Стюарда при Университете Альберты.

Помимо «кошачьего хвоста», новые наблюдения Хаббла также выявили странное искривление пылевого гало Бета Пикторис. «Мы также обнаружили выпукло-вогнутую морфологическую асимметрию во внешнем гало β Пикторис с помощью HST/STIS», — пишут авторы. Это может быть связано с взаимодействием с Бета Пикторис B, гигантской газовой планетой, масса которой примерно в десять раз превышает массу Юпитера. «Однако для подтверждения этого необходимы дополнительные динамические исследования», — заключают авторы.

Одна из причин, по которой планетологи так заинтригованы Бета Пикторис, заключается в том, что она хранит ключи к пониманию прошлого нашей Солнечной системы. Это своего рода аналог нашей системы, только гораздо моложе. В то время как нашей системе около 4,6 миллиарда лет, Бета Пикторис всего около 23 миллионов лет. Ранние системы гораздо более хаотичны, чем зрелые системы, такие как наша, поэтому изучение Бета Пикторис дает исследователям возможность заглянуть в прошлое нашей Солнечной системы, когда столкновения были гораздо более распространены.

Бета Пикторис, её диск и экзопланеты слишком увлекательны, чтобы их игнорировать. Она будет и дальше оставаться объектом наблюдений. Когда в ближайшие несколько лет начнут работу новые мощные телескопы, такие как ELT и Гигантский телескоп Магеллана, несомненно, в какой-то момент они изучат систему β Пикторис. Оба телескопа будут обладать мощными возможностями для непосредственного получения более детальных изображений экзопланет.

Эти мощные телескопы также могут позволить глубже изучить «Кошачий хвост» и определить, почему такое столкновение привело к образованию таких мелких, пористых пылевых частиц.