Околозвездный диск (или околозвездный диск ) — это тор , блин или кольцеобразный аккреционный диск вещества, состоящего из газа , пыли , планетезималей , астероидов или фрагментов столкновений на орбите вокруг звезды . Вокруг самых молодых звезд они являются резервуарами материала, из которого могут образоваться планеты. Вокруг зрелых звезд они указывают на то, что произошло формирование планетезималей , а вокруг белых карликов они указывают на то, что планетарный материал пережил всю звездную эволюцию. Такой диск может проявляться по-разному.
Молодая звезда
Согласно широко принятой модели звездообразования , иногда называемой небулярной гипотезой , молодая звезда ( протозвезда ) образуется в результате гравитационного коллапса кармана материи внутри гигантского молекулярного облака . Падающий материал обладает некоторым количеством углового момента , что приводит к образованию газообразного протопланетного диска вокруг молодой вращающейся звезды. Первый представляет собой вращающийся околозвездный диск из плотного газа и пыли, который продолжает питать центральную звезду. Он может содержать несколько процентов массы центральной звезды, в основном в виде газа, который сам по себе в основном является водородом . Основная фаза аккреции длится несколько миллионов лет, со скоростью аккреции, как правило, между 10−7 и 10−9 солнечных масс в год (скорости для типичных систем представлены в Hartmann et al. [2] ).
Диск постепенно остывает в так называемой стадии звезды T Тельца . Внутри этого диска может происходить образование мелких пылевых частиц из камней и льда, которые могут коагулировать в планетезимали . Если диск достаточно массивен, начинается неуправляемая аккреция, приводящая к появлению планетарных эмбрионов. Считается, что образование планетных систем является естественным результатом звездообразования. Для формирования звезды, подобной Солнцу, обычно требуется около 100 миллионов лет.
Вокруг Солнечной системы
Пояс астероидов — скопление малых тел в Солнечной системе , расположенное между орбитами Марса и Юпитера. Является источником межпланетной пыли.
Облако Хиллс ; только внутреннее облако Оорта имеет тороидоподобную форму. Внешнее облако Оорта имеет более сферическую форму.
Двоичная система
Падение газа на двойную систему позволяет формировать околозвездные и околодвойные диски. Формирование такого диска произойдет для любой двойной системы , в которой падающий газ содержит некоторую степень углового момента. [4] Общая прогрессия формирования диска наблюдается с увеличением уровней углового момента:
Околопервичный диск — это диск, который вращается вокруг первичной (т.е. более массивной) звезды двойной системы. [4] Этот тип диска образуется в результате аккреции , если в падающем газе присутствует какой-либо угловой момент. [4]
Околовторичный диск — это диск, который вращается вокруг вторичной (т. е. менее массивной) звезды двойной звездной системы. Этот тип диска образуется только при наличии достаточно высокого уровня углового момента в падающем газе. Требуемое количество углового момента зависит от отношения массы вторичной к первичной. Иногда можно увидеть околовторичный диск, проходящий перед первичной.
Циркумбинарный диск — это диск, который вращается вокруг как первичных, так и вторичных звезд. Такой диск сформируется позже, чем первичный и вторичный диски, с внутренним радиусом, намного большим, чем радиус орбиты двойной системы . Циркумбинарный диск может сформироваться с верхним пределом массы приблизительно в 0,005 солнечных масс, [5] в этот момент двойная система , как правило, не может возмущать диск достаточно сильно для того, чтобы газ мог далее аккрецироваться на первичный и вторичный диски. [4] Пример циркумбинарного диска можно увидеть вокруг звездной системы GG Tauri . [6]
Учитывая формирование циркумбинарного диска, образование внутренней полости, окружающей двойную, неизбежно. Эта полость является результатом спиральных волн плотности, расположенных на резонансах Линдблада , в частности, внешних резонансах Линдблада. Точные резонансы, которые вырезают полость, зависят от эксцентриситета двойной , но в каждом случае размер полости пропорционален разделению двойной . [7]
Изменчивость аккреции
Краткосрочная изменчивость
Ориентировочная временная шкала, которая управляет краткосрочной эволюцией аккреции на двойные в пределах циркумбинальных дисков, — это орбитальный период двойной системы . Аккреция во внутреннюю полость не является постоянной и меняется в зависимости от и поведения газа вдоль самой внутренней области полости. Для неэксцентричных двойных систем изменчивость аккреции совпадает с кеплеровским орбитальным периодом внутреннего газа, который образует комки, соответствующие внешним резонансам Линдблада. Этот период примерно в пять раз больше двойного орбитального периода. Для эксцентричных двойных систем период изменчивости аккреции такой же, как и двойного орбитального периода, поскольку каждый компонент двойной системы зачерпывает вещество из циркумбинального диска каждый раз, когда он достигает апоцентра своей орбиты. [7]
Долгосрочная изменчивость
Эксцентричные двойные также видят изменчивость аккреции в вековых масштабах времени, в сотни раз превышающую период двойных. Это соответствует скорости прецессии апсид внутреннего края полости, которая развивает свой собственный эксцентриситет , вместе со значительной областью внутреннего циркумбинарного диска до . [7] Этот эксцентриситет может, в свою очередь, влиять на аккрецию внутренней полости, а также на динамику дальше в диске, такую как формирование и миграция циркумбинарных планет .
Орбитальная эволюция
Первоначально считалось, что все двойные, расположенные в пределах циркумбинарного диска, будут эволюционировать в сторону орбитального распада из-за гравитационного момента циркумбинарного диска, в первую очередь из материала на самом внутреннем крае вырезанной полости. Этот распад больше не гарантируется, когда происходит аккреция с циркумбинарного диска на двойную, и может даже привести к увеличению двойных разделений. Динамика орбитальной эволюции зависит от параметров двойной, таких как отношение масс и эксцентриситет , а также термодинамики аккрецирующего газа. [7]
Неправильно отрегулированные диски
После формирования околозвездного диска в околозвездном материале создаются спиральные волны плотности посредством дифференциального крутящего момента, вызванного гравитацией двойной звезды. [4] Большинство этих дисков формируются осесимметричными относительно плоскости двойной звезды, но такие процессы, как эффект Бардина-Петтерсона [8] , несоосное дипольное магнитное поле [9] и давление излучения [10], могут привести к значительному искривлению или наклону изначально плоского диска.
Убедительные доказательства наклонных дисков наблюдаются в системах Her X-1, SMC X-1 и SS 433 (среди прочих), где наблюдается периодическая блокировка рентгеновского излучения на линии прямой видимости в течение порядка 50–200 дней; это намного медленнее, чем период обращения двойной системы по орбите около 1 дня. [11] Считается, что периодическая блокировка является результатом прецессии околоосновного или околоосновного диска, которая обычно происходит ретроградно по отношению к двойной орбите в результате того же дифференциального крутящего момента, который создает спиральные волны плотности в осесимметричном диске.
Доказательства наклонных циркумбинарных дисков можно увидеть через искривленную геометрию внутри околозвездных дисков, прецессию протозвездных струй и наклонные орбиты околопланетных объектов (как видно в затменной двойной звезде TY CrA). [5] Для дисков, вращающихся вокруг двойной звезды с низким отношением вторичной массы к первичной, наклонный циркумбинарный диск будет испытывать жесткую прецессию с периодом порядка лет. Для дисков вокруг двойной звезды с отношением масс, равным единице, дифференциальные моменты будут достаточно сильными, чтобы разорвать внутреннюю часть диска на два или более отдельных прецессирующих диска. [5]
Исследование 2020 года с использованием данных ALMA показало, что циркумбинарные диски вокруг короткопериодических двойных звезд часто выровнены с орбитой двойных звезд. Двойные звезды с периодом более одного месяца обычно показывают несовпадение диска с орбитой двойных звезд. [12]
Пыль
Диски обломков состоят из планетезималей вместе с мелкой пылью и небольшим количеством газа, образующегося в результате их столкновений и испарения. Первоначальный газ и мелкие частицы пыли были рассеяны или аккумулированы в планеты. [14]
Зодиакальное облако или межпланетная пыль — это вещество в Солнечной системе, образующееся в результате столкновений астероидов и испарения комет, которое наблюдатели на Земле видят как полосу рассеянного света вдоль эклиптики перед восходом или после захода Солнца.
Экзодиакальная пыль — это пыль вокруг другой звезды (не Солнца), расположенной в месте, аналогичном месту расположения Зодиакального света в Солнечной системе.
Этапы
Стадии в околозвездных дисках относятся к структуре и основному составу диска в разные моменты его эволюции. Стадии включают фазы, когда диск состоит в основном из частиц субмикронного размера, эволюцию этих частиц в зерна и более крупные объекты, агломерацию более крупных объектов в планетезимали и рост и орбитальную эволюцию планетезималей в планетные системы, такие как наша Солнечная система или многие другие звезды.
Основные этапы эволюции околозвездных дисков: [16]
Протопланетные диски : на этой стадии присутствуют большие количества первичного материала (например, газа и пыли), а диски достаточно массивны, чтобы иметь потенциал для формирования планет.
Переходные диски: на этой стадии диск демонстрирует значительное снижение содержания газа и пыли и обладает свойствами, промежуточными между протопланетными и осколочными дисками.
Диски обломков : На этой стадии околозвездный диск представляет собой разреженный пылевой диск, содержащий небольшое количество газа или даже не содержащий его вообще. Он характеризуется временем жизни пыли [ необходимо уточнение ] меньшим, чем возраст диска, что указывает на то, что диск является диском второго поколения, а не первичным.
Рассеивание и эволюция диска
Рассеивание материала является одним из процессов, ответственных за эволюцию околозвездных дисков. Вместе с информацией о массе центральной звезды, наблюдение за рассеиванием материала на разных стадиях околозвездного диска может быть использовано для определения временных масштабов, вовлеченных в его эволюцию. Например, наблюдения за процессом рассеивания в переходных дисках (дисках с большими внутренними отверстиями) оценивают средний возраст околозвездного диска примерно в 10 млн лет. [18] [19]
Процесс диссипации и его продолжительность на каждом этапе не до конца понятны. Для объяснения дисперсии в околозвездных дисках было предложено несколько механизмов с различными предсказаниями наблюдаемых свойств дисков. Такие механизмы, как уменьшение непрозрачности пыли из-за роста зерен [20] , фотоиспарение материала рентгеновскими или ультрафиолетовыми фотонами от центральной звезды ( звездный ветер ) [21] или динамическое влияние гигантской планеты, формирующейся внутри диска [22], являются некоторыми из процессов, которые были предложены для объяснения диссипации.
Диссипация — это процесс, который происходит непрерывно в околозвездных дисках на протяжении всей жизни центральной звезды, и в то же время, на той же стадии, это процесс, который присутствует в разных частях диска. Диссипацию можно разделить на внутреннюю дисковую диссипацию, среднюю дисковую диссипацию и внешнюю дисковую диссипацию, в зависимости от рассматриваемой части диска. [23]
Внутренняя дисковая диссипация происходит во внутренней части диска (< 0,05 – 0,1 а.е. ). Поскольку она находится ближе всего к звезде, эта область также является самой горячей, поэтому присутствующий там материал обычно испускает излучение в ближней инфракрасной области электромагнитного спектра . Изучение излучения, испускаемого очень горячей пылью, присутствующей в этой части диска, показывает, что существует эмпирическая связь между аккрецией с диска на звезду и выбросами в истечение.
Рассеивание в середине диска происходит в средней части диска (1-5 а.е. ) и характеризуется наличием гораздо более холодного материала, чем во внутренней части диска. Следовательно, излучение, испускаемое из этой области, имеет большую длину волны , действительно в средней инфракрасной области, что делает очень сложным обнаружение и предсказание временных рамок рассеяния этой области. Исследования, проведенные для определения временных рамок рассеяния в этой области, дают широкий диапазон значений, предсказывая временные шкалы от менее 10 до 100 млн лет.
Рассеивание внешнего диска происходит в областях между 50 и 100 а.е. , где температуры намного ниже, а длина волны испускаемого излучения увеличивается до миллиметровой области электромагнитного спектра . Сообщается, что средняя масса пыли для этого региона составляет ~ 10−5 солнечных масс. [24] Исследования более старых дисков обломков ( 107–109 лет ) предполагают , что масса пыли составляет всего 10−8 солнечных масс, что подразумевает, что диффузия во внешних дисках происходит в течение очень длительного времени. [25]
Как уже упоминалось, околозвездные диски не являются равновесными объектами, а вместо этого постоянно развиваются. Эволюция поверхностной плотности диска, которая представляет собой количество массы на единицу площади, после того как объемная плотность в определенном месте в диске была интегрирована по вертикальной структуре, определяется как:
где — радиальное местоположение в диске, а — вязкость в месте . [26] Это уравнение предполагает осесимметричную симметрию в диске, но совместимо с любой вертикальной структурой диска.
Вязкость в диске, будь то молекулярная, турбулентная или иная, переносит угловой момент наружу в диске и большую часть массы внутрь, в конечном итоге аккрецируя на центральный объект. [26] Аккреция массы на звезду в терминах вязкости диска выражается:
где - внутренний радиус.
Прямая визуализация
Протопланетные диски и диски мусора можно визуализировать разными методами. Если диск виден с ребра, диск иногда может блокировать свет звезды, и диск можно наблюдать напрямую без коронографа или других передовых методов (например, туманность Гамбургер Гомеса или Летающая тарелка [27] ). Другие диски, видимые с ребра (например, Бета Живописца или AU Микроскопа ) и диски, видимые плашмя (например, IM Волка или AB Возничего ), требуют коронографа, адаптивной оптики или дифференциальных изображений для получения изображения диска с помощью телескопа. Эти оптические и инфракрасные наблюдения, например, с помощью SPHERE , обычно делают изображение света звезды, рассеиваемого на поверхности диска, и отслеживают мелкие частицы пыли микронного размера. С другой стороны, радиорешетки, такие как ALMA, могут отображать более крупные миллиметровые частицы пыли, обнаруженные в средней плоскости диска. [28] Радиорешетки, такие как ALMA, также могут обнаруживать узкое излучение от газа диска. Это может выявить скорость газа внутри и вокруг диска. [29] В некоторых случаях протопланетный диск, видимый с ребра (например, CK 3 [30] [31] или ASR 41 [32] ), может отбрасывать тень на окружающий пылевой материал. Эта отбрасываемая тень работает как игра теней , и проекция диска намного больше, чем истинный размер диска. [30]
^ "Окружные звездные диски HD 141943 и HD 191089". Изображения ESA/Hubble . Получено 29 апреля 2014 г.
^ Хартманн, Л.; Кальве, Н .; Гуллбринг, Э.; Д'Алессио, П. (1998). «Аккреция и эволюция дисков типа Т Тельца». The Astrophysical Journal . 495 (1): 385–400. Bibcode : 1998ApJ...495..385H. doi : 10.1086/305277 .
^ "ALMA раскрывает места строительства планет" . Получено 21 декабря 2015 г.
^ abcde Bate, M; Bonnell, A (1997). "Аккреция во время формирования двойной звезды - II. Газовая аккреция и формирование диска". MNRAS . 285 (1): 33–48. Bibcode :1997MNRAS.285...33B. doi : 10.1093/mnras/285.1.33 .
^ C. Roddier; F. Roddier; MJ Northcott; JE Graves; K. Jim (1996). «Адаптивная оптическая визуализация GG Tauri: оптическое обнаружение циркумбинарного кольца». The Astrophysical Journal . 463 : 326–335. Bibcode : 1996ApJ...463..326R. doi : 10.1086/177245.
^ abcd Лай, Донг; Муньос, Диего Дж. (2023-08-18). «Циркумбинарная аккреция: от двойных звезд до массивных двойных черных дыр». Annual Review of Astronomy and Astrophysics . 61 (1): 517–560. arXiv : 2211.00028 . Bibcode : 2023ARA&A..61..517L. doi : 10.1146/annurev-astro-052622-022933. ISSN 0066-4146.
^ JM Bardeen; JA Petterson (1975). "Эффект Лензе-Тирринга и аккреционные диски вокруг черных дыр Керра". The Astrophysical Journal Letters . 195 : L65–L67. Bibcode : 1975ApJ...195L..65B. doi : 10.1086/181711 .
^ C. Terquem; JCB Papaloizou (2000). "Отклик аккреционного диска на наклонный диполь с применением к AA Tau". Астрономия и астрофизика . 360 : 1031. arXiv : astro-ph/0006113 . Bibcode : 2000A&A...360.1031T.
^ JE Pringle (1996). «Самовозбужденное искривление аккреционных дисков». MNRAS . 281 (1): 357–361. Bibcode :1996MNRAS.281..357P. doi : 10.1093/mnras/281.1.357 .
^ PR Maloney; MC Begelman (1997). «Происхождение искривленных прецессирующих аккреционных дисков в рентгеновских двойных системах». The Astrophysical Journal Letters . 491 (1): L43–L46. arXiv : astro-ph/9710060 . Bibcode : 1997ApJ...491L..43M. doi : 10.1086/311058. hdl : 2060/19980058823. S2CID 16725007.
^ "Safe havens for young planets". www.eso.org . Получено 4 февраля 2019 г. .
^ Хьюз, Эми (2010). "Структура и эволюция околозвездного диска с помощью разрешенных субмиллиметровых наблюдений" (PDF) . Получено 2 февраля 2016 г. .
^ Адкинс, Джейми (2023-05-08). «Уэбб ищет пояс астероидов Фомальгаута и находит гораздо больше». NASA . Получено 2023-05-08 .
^ Мамаек, Эрик (2009). «Начальные условия формирования планет: время жизни первичных дисков». Труды конференции AIP . 1158 : 3–10. arXiv : 0906.5011 . Bibcode : 2009AIPC.1158....3M. doi : 10.1063/1.3215910. S2CID 16660243.
^ Cieza, L; et al. (2007). "Обзор spitzer c2d слабых линий звезд типа T Tauri. II Новые ограничения на временную шкалу для формирования планет". The Astrophysical Journal . 667 (1): 308–328. arXiv : 0706.0563 . Bibcode :2007ApJ...667..308C. doi :10.1086/520698. S2CID 14805330.
^ Uzpen, B; et al. (2008). «Взгляд на природу галактического избытка в среднем ИК-диапазоне». The Astrophysical Journal . 685 (2): 1157–1182. arXiv : 0807.3982 . Bibcode : 2008ApJ...685.1157U. doi : 10.1086/591119. S2CID 17412712.
^ Кларк, C; Джендрин, A; Сотомайор, M (2001). «Рассеивание околозвездных дисков: роль ультрафиолетового переключателя». MNRAS . 328 (2): 485–491. Bibcode :2001MNRAS.328..485C. doi : 10.1046/j.1365-8711.2001.04891.x .
^ Брайден, Г. и др. (1999). «Формирование приливно-индуцированных зазоров в протозвездных дисках: устранение зазоров и подавление протопланетного роста». The Astrophysical Journal . 514 (1): 344–367. Bibcode :1999ApJ...514..344B. doi :10.1086/306917. S2CID 121394271.
^ Хилленбранд, LA (2005). «Ограничения наблюдений за временем жизни пылевых дисков: последствия для формирования планет». arXiv : astro-ph/0511083 .
^ Эйснер, JA; Карпентер, JM (2003). «Распределение масс околозвездного диска в молодом скоплении NGC 2024». The Astrophysical Journal . 598 (2): 1341–1349. arXiv : astro-ph/0308279 . Bibcode : 2003ApJ...598.1341E. doi : 10.1086/379102. S2CID 478399.
^ Уайетт, Марк (2008). «Эволюция осколочных дисков». Annu. Rev. Astron. Astrophys . 46 : 339–383. Bibcode :2008ARA&A..46..339W. doi :10.1146/annurev.astro.45.051806.110525.
^ ab Armitage, Philip (2011). «Динамика протопланетных дисков». Annual Review of Astronomy and Astrophysics . 49 (1): 195–236. arXiv : 1011.1496 . Bibcode :2011ARA&A..49..195A. doi :10.1146/annurev-astro-081710-102521. S2CID 55900935.
^ [email protected]. "Протопланетный диск Летающей тарелки вокруг 2MASS J16281370-2431391". www.eso.org . Получено 13.03.2024 .
^ Авенхаус, Хеннинг; Кванц, Саша П.; Гаруфи, Антонио; Перес, Себастьян; Касассус, Саймон; Пинте, Кристоф; Бертранг, Геза Х. -М.; Касерес, Клаудио; Бенисти, Мириам; Доминик, Карстен (01.08.2018). "Диски вокруг звезд типа Т Тельца с помощью SPHERE (DARTTS-S). I. Поляриметрическое изображение восьми выдающихся дисков типа Т Тельца с помощью SPHERE/IRDIS". The Astrophysical Journal . 863 (1): 44. arXiv : 1803.10882 . Bibcode :2018ApJ...863...44A. doi : 10.3847/1538-4357/aab846 . ISSN 0004-637X.
^ ab Pontoppidan, KM; Dullemond, CP (2005-05-01). «Проекция околозвездных дисков на их окружение». Astronomy and Astrophysics . 435 (2): 595–610. arXiv : astro-ph/0502103 . Bibcode : 2005A&A...435..595P. doi : 10.1051/0004-6361:20042059. ISSN 0004-6361.
^ Pontoppidan, Klaus M.; Green, Joel D.; Pauly, Tyler A.; Salyk, Colette; DePasquale, Joseph (2020-06-01). "Изменчивость Большой Дисковой Тени в Змеях". The Astrophysical Journal . 896 (2): 169. arXiv : 2006.05965 . Bibcode :2020ApJ...896..169P. doi : 10.3847/1538-4357/ab91ae . ISSN 0004-637X.
^ Hodapp, Klaus W.; Walker, Christina H.; Reipurth, Bo; Wood, Kenneth; Bally, John; Whitney, Barbara A.; Connelley, Michael (2004-01-01). "Диск тени вокруг молодой звезды ASR 41 в NGC 1333". The Astrophysical Journal . 601 (1): L79–L82. arXiv : astro-ph/0312256 . Bibcode : 2004ApJ...601L..79H. doi : 10.1086/381732. ISSN 0004-637X.
Внешние ссылки
На Викискладе есть медиафайлы по теме « Околозвездные диски» .
МакКейб, Каер (30 мая 2007 г.). «Каталог разрешенных околозвездных дисков». NASA JPL . Получено 17 июля 2007 г.
Галерея изображений пылевых дисков (от Пола Каласа , "Circumstellar Disk Learning Site")