Что случилось с первой сфотографированной экзопланетой? Она оказалась облаком пыли

Астрономы долго спорили о природе странного объекта у звезды Фомальгаут. Сначала его считали первой сфотографированной экзопланетой, затем — облаком пыли, которое растворилось в пустоте. Новое исследование ставит точку в этом споре: телескоп «Хаббл» зафиксировал второй взрыв. Похоже, мы наблюдаем не планетную систему, а последствия регулярных катастрофических столкновений массивных астероидов.

Хронология научного заблуждения

Вернемся к событиям 2008 года. Тогда мир облетел снимок, сделанный телескопом «Хаббл». На нем было отчетливо видно обширное пылевое кольцо вокруг молодой звезды Фомальгаут (расстояние от Земли — 25 световых лет), а внутри кольца — крошечная светящаяся точка. Объект получил название Фомальгаут b. Момент считался историческим: человечество впервые увидело планету у другой звезды не косвенными методами (по гравитации или затмениям), а напрямую, в оптическом диапазоне.

Но последующие наблюдения выявили ряд странностей, которые не укладывались в стандартную теорию формирования планет:

1. Аномальная яркость: объект был слишком ярким для планеты его предполагаемой массы.
2. Отсутствие теплового следа: молодые газовые гиганты должны излучать тепло в инфракрасном диапазоне, но Фомальгаут b оставался холодным.
3. Странная траектория: орбита объекта пересекала пылевой пояс, что для массивной планеты было бы динамически нестабильным.

Ситуация окончательно зашла в тупик в 2014 году, когда объект просто исчез. Он перестал фиксироваться датчиками телескопов. Тогда и возникла гипотеза, что астрономы наблюдали не твердое тело, а плотное облако пыли, оставшееся после столкновения двух астероидов. Со временем облако расширилось, плотность пыли упала, и объект стал прозрачным для наблюдателя.

Главный контраргумент заключался в вероятности: столкновения крупных небесных тел — события чрезвычайно редкие. Вероятность того, что мы направили телескоп на звезду именно в тот момент, когда там произошло такое событие, казалась ничтожно малой.

Новые данные: появление объекта Fom cs2

В сентябре 2023 года команда исследователей провела новую серию наблюдений с помощью спектрографа STIS на борту «Хаббла». Астрономы использовали коронографический режим съемки, при котором яркий свет самой звезды искусственно блокируется, чтобы увидеть тусклые объекты в ее окрестностях.

Исчезнувший объект (теперь переименованный в Fom cs1) так и не был найден. Однако в другой части пылевого пояса, на расстоянии 135 астрономических единиц от звезды, появился новый источник света.

Этот новый объект, получивший обозначение Fom cs2, отсутствовал на снимках 2013 и 2014 годов. Его характеристики практически полностью повторяют свойства первого объекта: он не виден в инфракрасном спектре, но отчетливо отражает свет звезды в видимом диапазоне.

Если за короткий период наблюдений (около 20 лет) в одной системе фиксируются два идентичных события, значит, речь идет не о случайном совпадении, а о системном, регулярном процессе. Гипотеза о столкновении получила эмпирическое подтверждение через повторяемость.

Физика катастрофического процесса

Анализ яркости и динамики нового объекта позволил ученым реконструировать физическую картину происходящего. То, что на снимках выглядит как светящаяся точка, на самом деле является результатом высокоскоростного столкновения двух планетезималей — небесных тел, являющихся строительными блоками для планет.

Согласно расчетам, основанным на интенсивности отраженного света, радиус каждого из столкнувшихся тел составлял около 30 километров. Для сравнения: это объекты, сопоставимые по размеру с крупными астероидами Главного пояса Солнечной системы.

Процесс эволюции такого объекта выглядит так:

1. Удар и фрагментация: при столкновении на орбитальных скоростях (несколько километров в секунду) твердое вещество астероидов мгновенно разрушается. Образуется облако, состоящее из мельчайших частиц пыли микрометрового размера.
2. Оптическая фаза: в первые годы после удара облако остается компактным и оптически плотным. Оно эффективно отражает свет центральной звезды, поэтому мы видим его как яркий точечный источник. Именно в этой фазе сейчас находится обнаруженный объект Fom cs2.
3. Воздействие излучения: звезда Фомальгаут обладает высокой светимостью. Давление света (радиационное давление) начинает воздействовать на легкие частицы пыли, выталкивая их на более высокие орбиты.
4. Расширение и угасание: облако начинает стремительно расширяться. По оценкам ученых, скорость расширения составляет более 5 метров в секунду. По мере увеличения объема концентрация частиц на единицу площади падает. Облако становится прозрачным и перестает отражать достаточно света для регистрации телескопами. Это и произошло с первым объектом (cs1) к 2014 году.

Масштаб разрушений и масса системы

Это открытие позволяет астрономам оценить массу и плотность вещества в поясе Фомальгаута. Частота столкновений напрямую зависит от количества объектов в системе. Тот факт, что мы наблюдаем такие события раз в 20 лет, указывает на колоссальную насыщенность пространства небесными телами.

Используя модели распределения размеров, авторы исследования пришли к следующим выводам:

• Чтобы обеспечить наблюдаемую частоту столкновений 30-километровых объектов, в поясе должно находиться огромное количество таких тел.
• Общая масса только этих крупных астероидов оценивается примерно в 18 масс Земли.
• Это означает, что пояс Фомальгаута значительно массивнее и динамичнее, чем пояс Койпера в нашей Солнечной системе.

Система находится в состоянии активной столкновительной эрозии. Крупные тела постоянно врезаются друг в друга, измельчаясь до состояния пыли. Эта пыль затем выметается звездным ветром в межзвездное пространство. Фактически, мы наблюдаем, как планетная система теряет массу. Расчеты показывают, что за время существования звезды (около 440 миллионов лет) пояс мог потерять массу, сопоставимую с несколькими процентами массы Земли, только за счет таких событий.

Значение для астрофизики

Астрономы получили уникальную возможность наблюдать последствия космических столкновений в режиме реального времени.

До этого момента наши знания о столкновениях основывались либо на компьютерном моделировании, либо на изучении древних кратеров на поверхности планет и спутников. Теперь же у науки есть «лабораторные» условия: новый объект Fom cs2 будет эволюционировать и угасать в ближайшие годы.

Наблюдение за этим процессом позволит точно определить свойства материала, из которого состоят экзопланетные астероиды. Скорость расширения облака расскажет о пористости и плотности частиц. Спектральный анализ отраженного света поможет понять химический состав пыли (например, соотношение льда и силикатов).

В долгосрочной перспективе это поможет нам лучше понять историю нашей собственной системы. Солнечная система прошла через аналогичный период хаотичного смешивания и бомбардировок на ранних этапах своего развития. Фомальгаут давет нам возможность увидеть этот этап со стороны.

Источник: Science