Околозвездный диск (или околозвездный диск ) — это аккреционный диск в форме тора , блина или кольца, состоящий из газа , пыли , планетезималей , астероидов или фрагментов столкновений на орбите вокруг звезды . Вокруг самых молодых звезд они являются резервуарами материала, из которого могут формироваться планеты. Вокруг зрелых звезд они указывают на то, что произошло формирование планетезималей , а вокруг белых карликов — на то, что планетарный материал пережил всю звездную эволюцию. Такой диск может проявлять себя по-разному.
Согласно широко распространенной модели звездообразования , иногда называемой небулярной гипотезой , молодая звезда ( протозвезда ) образуется в результате гравитационного коллапса кармана материи внутри гигантского молекулярного облака . Падающее вещество обладает некоторым угловым моментом , что приводит к образованию газового протопланетного диска вокруг молодой вращающейся звезды. Первый представляет собой вращающийся околозвездный диск из плотного газа и пыли, который продолжает питать центральную звезду. Она может содержать несколько процентов массы центральной звезды, главным образом в форме газа, который сам по себе в основном состоит из водорода . Основная фаза аккреции длится несколько миллионов лет, при этом темпы аккреции обычно составляют от 10 -7 до 10 -9 солнечных масс в год (темпы для типичных систем представлены в работе Хартманна и др. [2] ).
Диск постепенно остывает на так называемой звездной стадии Т Тельца . Внутри этого диска может происходить образование мелких пылевых частиц из камней и льда, которые могут коагулировать в планетезимали . Если диск достаточно массивен, начинаются безудержные срастания, приводящие к появлению планетарных зародышей. Считается, что образование планетных систем является естественным результатом звездообразования. Для формирования звезды, похожей на Солнце, обычно требуется около 100 миллионов лет.
Попадание газа в двойную систему позволяет образовывать околозвездные и околозвездные диски. Образование такого диска произойдет в любой двойной системе , в которой падающий газ содержит некоторую степень углового момента. [4] Общий прогресс формирования диска наблюдается с увеличением уровня углового момента:
Ориентировочным временным масштабом, который управляет краткосрочной эволюцией аккреции на двойные системы внутри околодвойных дисков, является орбитальный период двойной системы . Аккреция во внутреннюю полость не является постоянной и варьируется в зависимости от поведения газа в самой внутренней области полости. Для неэксцентрических двойных систем переменность аккреции совпадает с кеплеровским орбитальным периодом внутреннего газа, в котором образуются сгустки, соответствующие внешним резонансам Линдблада. Этот период примерно в пять раз превышает период обращения двойной системы. Для эксцентрических двойных систем период изменчивости аккреции равен орбитальному периоду двойной системы из-за того, что каждый компонент двойной системы черпает вещество из околодвойного диска каждый раз, когда он достигает апоцентра своей орбиты. [7]
Эксцентричные двойные системы также наблюдают изменчивость аккреции в вековых временных масштабах, в сотни раз превышающую бинарный период. Это соответствует скорости апсидальной прецессии внутреннего края полости, развивающей собственный эксцентриситет вместе со значительной областью внутреннего циркумбинарного диска до . [7] Этот эксцентриситет, в свою очередь, может повлиять на аккрецию внутренней полости, а также на динамику дальше в диске, например, на формирование и миграцию планет по окружности .
Первоначально считалось, что все двойные системы, расположенные внутри окружного диска, будут эволюционировать в сторону орбитального распада из-за гравитационного момента окружного диска, в первую очередь из материала на самом внутреннем краю вырезанной полости. Этот распад больше не гарантируется, когда происходит аккреция циркумбинарного диска на двойную систему, и может даже привести к увеличению разделения двойных систем. Динамика орбитальной эволюции зависит от параметров двойной системы, таких как отношение масс и эксцентриситет , а также от термодинамики аккрецирующего газа. [7]
После формирования околозвездного диска внутри околозвездного материала возникают спиральные волны плотности за счет дифференциального крутящего момента, возникающего из-за гравитации двойной системы. [4] Большинство этих дисков образуют осесимметричную плоскость бинарной системы, но такие процессы, как эффект Бардина-Петтерсона, [8] смещенное дипольное магнитное поле [9] и радиационное давление [10] могут вызвать значительное деформировать или наклонить до изначально плоского диска.
Убедительные доказательства наклонных дисков наблюдаются в системах Her X-1, SMC X-1 и SS 433 (среди прочих), где наблюдается периодическое блокирование рентгеновского излучения на луче зрения порядка 50– 200 дней; намного медленнее, чем двойная орбита системы, составляющая ~ 1 день. [11] Считается, что периодическая блокировка возникает в результате прецессии периферийного или циркумбинарного 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 наклона околозвездных дисков можно увидеть через искривленную геометрию внутри околозвездных дисков, прецессию протозвездных струй и наклонные орбиты околопланетных объектов (как это видно в затменной двойной системе TY CrA). [5] Для дисков, вращающихся вокруг двойной двойной массы с низким отношением вторичной к первичной масс, наклоненный околодвойной диск будет подвергаться жесткой прецессии с периодом порядка лет. Для дисков вокруг двойной системы с соотношением масс, равным единице, дифференциальные крутящие 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 систем часто выровнены по орбите двойной системы. Двойные системы с периодом более одного месяца обычно демонстрировали несовпадение диска с орбитой двойной системы. [12]
Стадии околозвездных дисков относятся к структуре и основному составу диска в разные периоды его эволюции. Стадии включают в себя фазы, когда диск состоит преимущественно из частиц субмикронного размера, эволюцию этих частиц в зерна и более крупные объекты, скопление более крупных объектов в планетезимали , а также рост и орбитальную эволюцию планетезималей в планетные системы, подобные нашей. Солнечная система или многие другие звезды.
Основные этапы эволюции околозвездных дисков: [16]
Диссипация вещества — один из процессов, ответственных за эволюцию околозвездных дисков. Вместе с информацией о массе центральной звезды наблюдения за диссипацией вещества на разных стадиях околозвездного диска могут быть использованы для определения временных рамок его эволюции. Например, наблюдения за процессом диссипации 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 каждой стадии изучены недостаточно. Для объяснения дисперсии в околозвездных дисках было предложено несколько механизмов с разными предсказаниями наблюдаемых свойств дисков. Такие механизмы, как уменьшение непрозрачности пыли из-за роста зерен, [20] фотоиспарение материала рентгеновскими или УФ -фотонами центральной звезды ( звездный ветер ) [21] или динамическое влияние гигантской планеты, формирующейся внутри диска [22] Вот некоторые из процессов, которые были предложены для объяснения диссипации.
Диссипация — процесс, происходящий непрерывно в околозвездных дисках на протяжении всего времени жизни центральной звезды, и в то же время для одной и той же стадии — процесс, присутствующий в разных частях диска. Диссипацию можно разделить на диссипацию внутреннего диска, диссипацию в середине диска и диссипацию внешнего диска, в зависимости от рассматриваемой части диска. [23]
Внутренняя диссипация диска происходит во внутренней части диска (<0,05–0,1 ЕД ). Поскольку она находится ближе всего к звезде, эта область также является самой горячей, поэтому присутствующий там материал обычно излучает излучение в ближней инфракрасной области электромагнитного спектра . Исследование излучения очень горячей пыли, присутствующей в этой части диска, показывает, что существует эмпирическая связь между аккрецией из диска на звезду и выбросами в истечение.
Диссипация среднего диска происходит в области среднего 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 , даже в средней инфракрасной области, что очень затрудняет обнаружение и прогнозирование временных масштабов рассеяния этой области. Исследования, проведенные для определения временных масштабов диссипации в этом регионе, дают широкий диапазон значений, предсказывая временные рамки от менее 10 до 100 млн лет.
Рассеяние внешнего диска происходит в областях между 50–100 а.е. , где температуры намного ниже, а длина волны излучаемого излучения увеличивается до миллиметровой области электромагнитного спектра . Сообщается, что средняя масса пыли для этого региона составляет ~ 10 -5 масс Солнца. [24] Исследования старых дисков обломков (10 7 - 10 9 лет) предполагают, что массы пыли составляют всего 10 -8 солнечных масс, подразумевая, что диффузия во внешних дисках происходит в очень длительном временном масштабе. [25]
Как уже упоминалось, околозвездные диски не являются равновесными объектами, а постоянно развиваются. Эволюция поверхностной плотности диска, которая представляет собой количество массы на единицу площади после интегрирования объемной плотности в определенном месте диска по вертикальной структуре, определяется следующим образом: где - радиальное местоположение в диск и вязкость в данном месте . [26] Это уравнение предполагает осесимметричную симметрию диска, но совместимо с любой вертикальной структурой диска.
Вязкость диска, молекулярная, турбулентная или другая, переносит угловой момент наружу диска, а большую часть массы внутрь, в конечном итоге аккумулируясь на центральный объект. [26] Аккреция массы на звезду выражается через вязкость диска : где – внутренний радиус.
Протопланетные диски и диски обломков можно получить разными методами. Если диск рассматривать с ребра, диск иногда может блокировать свет звезды, и диск можно наблюдать напрямую, без коронографа или других передовых методов (например, туманность Гамбургер Гомеса или туманность Летающая тарелка [27] ). Другие диски, видимые с ребра (например, Beta Pictoris или AU Microscopii ) и диски, видимые лицом (например, IM Lupi или AB Aurigae ), требуют коронографа, адаптивной оптики или дифференциальных изображений, чтобы получить изображение диска с помощью телескопа. Эти оптические и инфракрасные наблюдения, например, с помощью SPHERE , обычно позволяют получить изображение света звезды, рассеянного на поверхности диска, и проследить небольшие частицы пыли микронного размера. С другой стороны, радиорешетки, такие как ALMA, могут отображать более крупные пылинки миллиметрового размера, находящиеся в средней плоскости диска. [28] Радиорешетки, подобные ALMA, также могут обнаруживать узкое излучение газа диска. Это может определить скорость газа внутри и вокруг диска. [29]