Звезда-гигант производит пылинки размером в несколько нанометров

Астрономам удалось разрешить многолетнюю загадку, связанную с противоречивыми данными о размерах пыли, которую производят самые массивные и короткоживущие звезды во Вселенной. В новом исследовании, которое произвело сенсацию в научном мире, сообщается, что одна из таких звёзд, входящая в двойную систему WR 112, создаёт пылевые зёрна настолько крошечные, что их размер исчисляется миллиардными долями метра. По словам ведущего автора исследования Дунлиня Ву из Калифорнийского технологического института, разница в размерах между звездой и производимой ею пылью колоссальна и составляет примерно один к квинтиллиону.

Объектом исследования стала необычная двойная система WR 112, в состав которой входит звезда Вольфа–Райе — редкое, невероятно горячее светило, находящееся на последних стадиях своей эволюции. Такие звезды известны своим мощным звездным ветром и коротким жизненным циклом. В системе WR 112 звезда Вольфа–Райе обращается вокруг звезды-компаньона. Сталкиваясь, потоки газа, выбрасываемые обоими светилами, сжимаются и охлаждаются, что приводит к соединению атомов и формированию твердых частиц — космической пыли. Затем давление излучения выталкивает новообразованную пыль наружу, создавая со временем поразительные спиральные дуги, расходящиеся от двойной системы.

Однако долгие годы перед астрономами стояла сложная проблема: наблюдения за подобными системами давали противоречивые результаты. Одни данные указывали на то, что пылевые зерна чрезвычайно малы, другие же свидетельствовали о наличии гораздо более крупных частиц, размером около одной десятой микрометра. Ученые не могли понять, ошибаются ли приборы или определенные размеры зерен просто не выживают в столь суровых условиях. Чтобы разгадать эту тайну, исследовательская группа объединила данные двух самых совершенных обсерваторий мира: космического телескопа «Джеймс Уэбб» (JWST) и комплекса радиотелескопов ALMA в Чили.

JWST, чувствительный к инфракрасному излучению теплой пыли, ранее уже зафиксировал яркие спиральные структуры вокруг WR 112. ALMA, наблюдающий на миллиметровых волнах, идеально подходит для детектирования более холодных и, как правило, более крупных пылевых зерен. Если бы в спиралях WR 112 присутствовало значительное количество крупной пыли, ALMA обязательно бы ее зарегистрировал. Однако этого не произошло. Отсутствие сильного миллиметрового сигнала стало ключевой уликой: если ALMA не видит протяженных спиралей, которые отчетливо наблюдал JWST, значит, большинство пылевых зерен слишком малы, чтобы эффективно излучать на миллиметровых длинах волн.

Смоделировав собранные данные, исследователи определили, что основная часть пылинок в спиралях меньше одного микрометра, а большинство из них имеют размер всего в несколько нанометров. Анализ выявил наличие двух различных популяций зерен: доминирующую группу составляют нанометровые частицы, в то время как меньшая фракция представлена зернами размером около 0,1 микрометра. Эта двойственная структура и помогла примирить десятилетия противоречивых наблюдений: и крошечные, и более крупные зерна существуют одновременно, но самые маленькие преобладают. Ученые также предположили, что зерна промежуточных размеров могут быть особенно уязвимы в условиях интенсивного излучения, что объясняет, почему предыдущие наблюдения не могли последовательно их зафиксировать.

Система WR 112 является одной из самых продуктивных "пылевых фабрик": ежегодно она производит количество пыли, примерно в три раза превышающее массу земной Луны. Эта пыль богата углеродом, и понимание распределения ее размеров напрямую влияет на оценку того, сколько углерода массивные двойные системы вносят в галактику. Со временем эта пыль дрейфует в межзвездное пространство, смешиваясь с газовыми облаками, из которых в будущем могут сформироваться новые звезды и планеты. Если доминируют нанометровые зерна, их поведение — выживаемость, рост и участие в формировании планет — будет отличаться от поведения более крупных частиц.

Ученым еще предстоит выяснить, как долго эти мельчайшие зерна могут существовать, покинув зону интенсивного излучения, сливаются ли они в более крупные частицы и насколько типична система WR 112 для звезд Вольфа–Райе. Будущие наблюдения за подобными объектами помогут ответить на эти вопросы и уточнить модели накопления углерода в галактиках.

Исследование опубликовано в The Astrophysical Journal.