Главным событием последней недели апреля стала, как ни странно, тривиальная транспортировка шаттла «Энтерпрайз» из Вашингтона в Нью-Йорк. Появление челнока в небе над Нью-Йорком вызвало большой интерес, и многие астрономические блоги отметили это событие одним, а то и двумя-тремя постами. В результате — ноль астрономии и множество просто красивых фотографий челнока, который и в космос-то ни разу не летал.

А вот Международный День астрономии, который отмечался 28 апреля, прошел незаметно. Вероятно, вместо того, чтобы звать людей на бесплатный показ Луны, Венеры и других небесных тел, уважаемые блоггеры не побрезговали возможностью самим приобщиться, наконец, к красотам ночного неба. Это шутка, конечно.

Как построить сверхземлю с малой плотностью?

Открытия в области экзопланет, совершенные в последние годы, преподнесли ученым немало сюрпризов. В частности, были найдены планеты-сверхземли (так называют планеты с массами примерно от 2 до 10 масс Земли) с низкой средней плотностью, находящиеся недалеко от своих звезд. Один из примеров — система Kepler-11, пять из шести планет которой являются сверхземлями с низкой плотностью. Это говорит о том, что планеты Kepler-11 должны иметь толстую атмосферу, масса которой составляет несколько процентов от массы планеты. (Другой вариант, что в составе планеты доминирует вода, не согласуется с данными о размерах планет.)

Планетная система Kepler-11 в представлении художника. Система состоит из 4 сверхземель, одного «нептуна» и газового гиганта типа Юпитера. Все шесть планет расположены очень компактно и находятся к своей звезде ближе, чем Венера к Солнцу. Рисунок: NASA

Здесь возникает интересный вопрос: как сверхземли приобрели свои атмосферы, находясь так близко от звезды? Дегазация недр? По крайней мере для двух планет — Kepler-11d и Kepler-11e это объяснение не работает, так как их атмосферы слишком большие. Значит, по крайней мере эти планеты обладают первичной атмосферой, захваченной из протопланетного диска еще на стадии их формирования. Такая атмосфера должна состоять в основном из легких газов — водорода и гелия.

Вместе с тем легкие газы быстрее других испаряются (диссипируют) из атмосфер сверхземель, и потому ядро протопланеты должно обладать существенной массой, чтобы удержать их. Но тогда есть риск, что ядро будет аккумулировать все больше и больше газа из протопланетного диска и в результате превратится в настоящую планету-гигант с массой больше 10 масс Земли. Кроме того, ученым понятно, как образовываются гигантские планеты вдали от своих солнц, где протопланетный диск достаточно холодный, а вот объяснить их нахождение на расстояниях 1 а. е. и меньше уже гораздо труднее. Вероятно, здесь существенную роль играет миграция планет из далеких областей планетной системы в направлении своей звезды. Может быть, и сверхземли Kepler-11 мигрировали?

Японские исследователи Масахиро Икома и Ясунори Хори из университета Токио решили пойти другим путем и посмотреть, могут ли сверхземли с низкой плотностью образовываться там, где их сейчас и находят, то есть недалеко от своих звезд, захватывая теплый газ что называется, «на месте». Работу ученых, с которой можно ознакомиться в препринтах, разбирают в блоге astrobites.

Ученые провели численное моделирование, внедрив горячую молодую сверхземлю с массой, равной 4 массам Земли, в протопланетный диск. Их сверхземля имеет скалистое ядро и атмосферу, верхние слои которой сливаются с газовым диском. Икома и Хори учли, что температура и плотность на краю атмосферы планеты соответствует температуре и плотности окружающего диска, а также, что основная атмосфера планеты будет иметь температуру с поправкой на тепло, идущее от каменного ядра (которое пока еще очень горячо за счет распада радиоактивных элементов).

Что получилось в итоге моделирования? Оказывается, можно добиться таких условий, чтобы в результате сформировалась сверхземля с толстой атмосферой из легких газов, но для этого необходимо, чтобы плотность протопланетного диска убывает со временем экспоненциально (см. график ниже), иначе масса протопланеты продолжит расти и в конце концов она превратится в газовый гигант.

Отношение массы атмосферы к скалистой массе ядра протопланеты в зависимости от времени. Рассмотрены три различных модели. Синяя линия показывает быстрый захват водорода/гелия из диска в случае, когда плотность газа в диске постоянна. Красные и зеленые линии показывают отношение массы атмосферы к массе ядра, предполагая, что плотность газа в диске убывает экспоненциально, как показано на серой линии. При этом красная линия учитывает вклад горячего каменного ядра планеты, а зеленая не учитывает. Рисунок: Ikoma & Hori 2012

Как видим, согласно модели атмосферная масса сверхземель растет в течение порядка 100000 лет, а затем начинает убывать. Авторы полагают, что конечная масса водорода и гелия в атмосфере зависит очень чувствительна к массе каменного ядра. При относительно небольшой массе ядра масса атмосферы увеличивается постепенно вместе с основной массой. Но стоит превысить критическую массу ядра и оно станет в состоянии накопить достаточно газа для достижения быстрых стадий аккреции еще перед тем, как протопланетный диск рассеивается. Конкретное значение критической массы ядра зависит от скорости рассеяния диска.

Работа была бы неполна, если бы авторы не попытались применить теоретические выкладки на практике. Взяв систему Kepler-11, они показали, что массы планет d и f выше критической для заданной температуры диска. (Ее брали не с потолка, а учитывая температуру звезды. Понятно также, что чем дальше планета от звезды, тем холоднее диск в ее окрестностях.)

Доля атмосферы к общей массе планеты на примере сверхземель системы Kepler-11. Квадраты отмечают критическую массу, после которой начинается стремительная аккреция вещества из диска. Рассмотрены случаи с рассеянием диска за 10 тысяч лет (пунктирные линии) и 1 миллион лет (сплошные), и температурой диска, соответствующей таковой на расстоянии планет от своей звезды. Рисунок: Ikoma & Hori 2012

Итак, «построить» сверхземлю с каменным ядром и толстой водородно-гелиевой атмосферой возможно и в неблагоприятных условиях вблизи звезды (а именно там, повторюсь, и находят в настоящее время такие сверхземли), но при этом протопланетый диск должен рассеиваться достаточно медленно. При этом важную роль будет играть внутреннее тепло самой сверхземли, которое будет дополнительно препятствовать наращиванию массы за счет атмосферы.

В будущем эти выкладки помогут на основе известной плотности той или иной сверхземли делать выводы об условиях зарождения всей планетной системы.

Как родилась звезда SDSS 102915 +172927?

В сентябре прошлого года мы писали о звезде SDSS J102915 +172927, которая экстремально бедна металлами. Содержание тяжелых элементов в ней составляет всего 4,5×10-5 от солнечного. Звезда находится в созвездии Льва; это оранжевый карлик с массой меньше 0,8 масс Солнца. Маломассивные звезды с такой малой металличностью могут формироваться только в среде, где существует металлическая пыль. Только очень мелкие, но твердые частички металлов могут играть роль охладителя для водородных облаков (иначе они просто не смогут фрагментироваться и сжаться, чтобы сформировать маломассивную звезду). Но достаточно ли такого ничтожного количества металлов, какое нашли астрономы в составе звезды, для ее формирования? На первый взгляд, казалось, что нет. Поэтому сразу после открытия SDSS J102915 +172927 ее прозвали звезда, которая не может существовать.

Теперь в работе The formation of the extremely primitive star SDSS J102915+172927 relies on dust, группа ученых проанализировала условия, при которых рождение такой звезды все-таки возможно (а Кортни Дрессинг, один из авторов блога astrobites, проанализировала статью). Итак, ученые смоделировали загрязнение межзвездной среды металлами при взрывах звезд популяции III, то есть первых звезд, состоящих первоначально исключительно из водорода и гелия. Оказалось, что звезды в диапазоне 20-35 масс Солнца, взрываясь, насыщают межзвездную среду необходимым количеством тяжелых химических элеметов (общая масса пыли составляет 0,01 — 0,4 массы Солнца).

Масса пыли и ее состав, произведенные сверхновыми первого поколения с массами 20 и 35 масс Солнца. Масса пыли дана в массах Солнца. Общее количество самым светлым тоном. Остальные оттенки указывают, какое количество пыли переживает обратный шок в среде с плотностью 10-25, 10-24, 10-23 г/см3 (от светлого к темному). Источник: Raffaella Schneider et al. 2012

Правда, из этого количества еще должна образоваться пыль. Когда оболочка сверхновой звезды расширяется и остывает, в ней становится возможным образование из металлов твердых пылинок. Но когда ударная волна от сверхновой, сталкиваясь с разреженной межзвездной средой, замедляется, это порождает ответную ударную волну, направленную в сторону сверхновой. Высокоэнергичные частицы в этой ударной волне могут разрушить пыль. Чем больше масса сверхновой, тем меньше пыли в результате избежит разрушения в результате обратного шока.

Можно подойти к этому и с другой стороны, ведь мощность обратного шока зависит также и от плотности межзвездной среды. Очевидно, что сверхновые звезды дают тем бо́льшую общую массу пыли, чем меньше плотность газового облака. При взрыве звезды в 20 солнечных масс, необходимое для формирования звезды SDSS J102915+172927 количество пыли образуется, если сверхновая взрывается в среде с плотностью менее около 10-24 г/см³. В случае сверхновой с массой 35 солнечных масс, авторы обнаружили, что фрагментация облака возможна, если только пылинки достаточно малы, и достаточное их количество выживает во время обратного шока.

Итак, звезда типа SDSS J102915+172927 не могла родиться в плотном газовом облаке. Скорее всего она появилась из разреженной межзвездной среды, которая была уплотнена взорвавшейся звездой первого поколения массой ~20-40 масс Солнца и обогащена достаточным количестовом пыли, пережившей обратный шок.

Южное полярное сияние

Так называемые «северные сияния» — светящиеся сполохи в ночном небе — названы так, потому
что как правило их наблюдают в умеренных и северных широтах вокруг северного магнитного полюса Земли. Именно здесь заряженные частицы солнечного ветра, двигаясь вдоль геомагнитных линий, имеют больше шансов проникнуть относительно глубоко в магнитосферу Земли и столкнуться с верхней атмосферой нашей планеты. То, что в народе называют северным сиянием, есть излучение возбуждённых атомов и молекул атмосферы в результате таких столкновений.

Но тот же самый процесс наблюдается и в южных широтах Земли. «Аврора аустралис» или южное полярное сияние ничуть не более редкое явление чем северное сияние. Вот только из-за того, что в южных широтах проживает меньше людей, чем в северных, наблюдают его не так часто.

Тем не менее, 29 апреля на австралийском астрономическом дайджесте новостей Nightskyonline.info появилась ссылка на видео южного полярного сияния, снятое в Антарктиде. Видео создано из множества фотографий, полученных 25 апреля на антарктической станции Дэвис.

Прощание с шаттлом «Энтерпрайз»

А тем временем американцы продолжают прощаться с шаттлами. Эпическое время челноков прошло, и теперь машины потихоньку развозят по музеям. На этот раз настал черед самого первого из них — шаттла «Энтерпрайз», который был построен еще в 70-х годах, но так и не летал в космос. Созданный специально для атмосферных испытаний, он был частично разобран в 80-е, а затем в качестве выставочного экспоната находился в Смитсоновском институте. И вот теперь он переезжает в нью-йоркский Морской и аэрокосмический музей.

Шаттл «Энтерпрайз» вместе с актерами сериала «Звездный путь» в 1976 году. Фото: NASA

Собственно, ничего особенного не произошло — всего лишь транспортировка объекта из одного музея в другой. Однако, для многих американцев шаттлы — такой же символ их страны, как Статуя Свободы или Нью-Йорк. Потому, наверно, появление «Энтерпрайза» в небе над Нью-Йорком вызвало у публики огромный интерес. В сети появилось множество фотографий, часть которых (с сайта Universe Today и блога astropixie) представлены ниже. Эффектно пролетев над статуей Свободы (специально для фотокорреспондентов?) и заложив дугу над Манхэттеном, Боинг-747 с шаттлом на борту совершил посадку в аэропорту им. Кеннеди. Далее «Энтерпрайз» погрузят на баржу и отправят вверх по реке Гудзон к аэрокосмическому музею. Для посетителей шаттл станет доступен 19 июля.

«Энтерпрайз» вылетает из аэропорта Даллес (Вашингтон) и берет курс на Нью-Йорк. Фото: NASA/Smithsonian Institution/Mark Avino

«Энтерпрайз» вылетает из аэропорта Даллес (Вашингтон) и берет курс на Нью-Йорк. Фото: NASA/Smithsonian Institution/Mark Avino

Боинг-747, несущий на себе шаттл «Энтерпрайз», пролетает над статуей Свободы в Нью-Йорке. Фото: Ken Kremer

Боинг-747, несущий на себе шаттл «Энтерпрайз», пролетает над статуей Свободы в Нью-Йорке. Фото: Ken Kremer

Многие жители Большого Яблока не упустили случая запечатлить шаттл на камеры. Фото: Ken Kremer

Многие жители Большого Яблока не упустили случая запечатлить шаттл на камеры. Фото: Ken Kremer

Шаттл «Энтерпрайз» пролетает над рекой Гудзон и Манхэттеном 27 апреля 2012 года. Фото: NASA/Robert Markowitz

Шаттл «Энтерпрайз» пролетает над рекой Гудзон и Манхэттеном 27 апреля 2012 года. Фото: NASA/Robert Markowitz

... и заходит на посадку в аэропорту им. Кеннеди, скрываясь за башнями небоскребов. Фото: NASA / Bill Ingalls

... и заходит на посадку в аэропорту им. Кеннеди, скрываясь за башнями небоскребов. Фото: NASA / Bill Ingalls

А вот парочка видео с сервиса Youtube. На первом запечатлен пролет «Энтерпрайза» над Нью-Йорком, а на втором пассажир рейса Канадских авиалиний, находясь в самолете в ожидании взлета, случайно заснял шаттл в момент приземления в аэропорту им. Кеннеди.