Многие молодые звёзды, так же как и все газовые гиганты Солнечной системы, обладают кольцами – дисками, представленными скоплениями газа и пыли. Образуются такие концентрические образования в результате столкновения планеты с астероидами и кометами. Диск из обломков, как правило, имеет четко очерченные границы, по форме напоминающие эллипс либо спираль. Обнаружение таких колец в космическом пространстве в большинстве случаев свидетельствует о наличии орбитальных планет. Астрономы весьма тщательно изучают особенности строения таких дисков, дабы как можно лучше понять физические свойства известных планет и, возможно, раскрыть новые.
Однако новое исследование учёных из NASA в некой мере опровергает интерпретацию дискового и спирального окружения как ориентир для новой планеты. Ввиду взаимодействия газа и пыли, диск обломков, при определённых условиях, может произвести узкие кольца самостоятельно, без участия каких-либо планет.
«Когда масса газа примерно равна массе пыли, происходит взаимодействие, результатом которого является процесс «слияния» частиц в четко очерченную модель» — отметил ведущий исследователь Wladimir Lyra из Jet Propulsion Laboratory в Пасадене. «По сути, газо-пылевые скопления дисковой формы ранее учёными рассматривались как показатели существования планет, однако это не всегда так».
Тёплую пыль в кольцах из обломков весьма просто обнаружить в инфракрасном диапазоне спектра. Намного сложнее выяснить, чем именно представлено газовое «наполнение» диска. В ходе теоретических исследований учёные в большей степени сосредоточились на изучении пыли и частичек льда, обращая при этом мало внимания на газовую составляющую диска. Однако частички льда испаряются, и взаимодействие происходит непосредственно между газом и пылью. Таким образом, на определённом уровне абсолютно все диски обломков должны содержать некоторое количество газа.
«Всё, что необходимо для получения узких колец или других структур в нашей модели дисков из обломков – это небольшое количество газа» — сказал соавтор исследований Marc Kuchner, астрофизик из Goddard Space Flight Center.
Вот механизм образования дисков. Под воздействием мощного потока ультрафиолетового излучения от центральной звезды формируются скопления пыли и частичек льда, и происходит процесс высвобождения электронов. Эти высокоскоростные отрицательно заряженные элементарные частицы сталкиваются друг с другом, в результате чего окружающий газ нагревается.
Возрастающее газовое давление изменяет силу сопротивления орбитальной пыли, что приводит к росту пылевого скопления и повышению температуры газа. Такое взаимодействие, которое астрономы называют фотоэлектрической нестабильностью, порождает каскад подобных явлений. Скопления обломков и пыли превращаются в дуги, кольца, эллипсоподобные диски всего за несколько десятков тысяч лет, относительно быстро, если сравнивать с продолжительностью других процессов, которые имеют место в молодой Солнечной системе.
Этот процесс показывает модель, разработанная Marc Kuchner и Wladimir Lyra
«Мы были безмерно счастливы тому, что воссоздать изученный нами процесс возможно с помощью моделирования» — говорит Wladimir Lyra. «Некоторые из колец имеют нестабильную структуру, и вполне вероятно могут смещаться. К тому же «зачаточные» состояния таких процессов наблюдаются и вокруг многих звёзд, подобных Fomalhaut»
Кроме того, плотные скопления пыли в кольце также можно отобразить с помощью моделирования. Когда пылевой «сгусток» в диске становится слишком плотным, кольцо разбивается на дуги, которые сжимаются до тех пор, пока не останется компактное скопление. В реальных дисках некоторые из таких плотных «сгустков» имеют весьма существенную отражательную способность.
«Мы зафиксировали бы все эти «сгустки» как яркие движущиеся источники света – то есть именно то, что ищут астрономы при поиске новых планет» — добавил Marc Kuchner
Исследователи пришли к выводу, что фотоэлектрическая нестабильность позволяет просто и наиболее достоверно объяснить многие особенности, найденные в «светящихся» дисках. Тем самым полученные учёными результаты делают работу астрономов, «охотящихся» на новые планеты, просто немного сложнее и на порядок достовернее.
