На иллюстрации показана амбиполярная диффузия в коллапсирующем предзвёздном ядре. Нейтральные молекулы отделяются от магнитного поля и падают внутрь быстрее, чем ионы, которые остаются связанными с силовыми линиями. Этот процесс ослабляет магнитную поддержку, позволяя ядру коллапсировать и в конечном итоге сформировать протозвезду. Фото: Юрика Накамура и Дорис Арзуманян/Университет Кюсю

Недавно обнаруженный молекулярный дрейф может показать, как ослабевают магнитные поля перед рождением звезды.

Звезда не рождается со светом. Она зарождается в темноте, внутри холодного облака, где гравитация, магнитные поля и химические процессы борются за то, чтобы определить, останется ли вещество во взвешенном состоянии или начнет сжиматься.

Теперь астрономы наблюдали ключевую часть этой борьбы внутри L1544, плотного предзвездного ядра в молекулярном облаке Тельца. С помощью радионаблюдений исследователи обнаружили признаки амбиполярной диффузии — процесса, который может помочь гравитации преодолеть магнитное сопротивление и начать формирование новой звезды.

Исследование, проведенное учеными из Университета Кюсю и Института внеземной физики Общества Макса Планка, было опубликовано в журнале Astronomy & Astrophysics. По словам исследователей, это первое обнаружение амбиполярной диффузии в предзвездном ядре.

До рождения звезды

Презвездные ядра — одна из самых ранних идентифицируемых стадий звездообразования. Это компактные скопления газа и пыли, которые стали плотнее окружающей среды, но еще не сформировали протозвезду.

Эти объекты чрезвычайно холодны, их температура часто всего на несколько градусов выше абсолютного нуля. В таких условиях гравитация притягивает вещество внутрь, в то время как магнитные поля и внутренние движения газа могут замедлить коллапс или воспрепятствовать ему.

Этот баланс очень важен. Если магнитная поддержка остается достаточно сильной, ядро может существовать, не превращаясь в звезду. Если магнитное поле ослабевает, гравитация берет верх и сжимает вещество до тех пор, пока не образуется протозвезда.

«Презвездные ядра — удивительные звездные тела. Они плотные и холодные и являются источником множества сложных химических соединений. Холодная среда позволяет молекулам объединяться в более сложные соединения, например в предшественников пребиотических органических молекул», — объясняет первый автор исследования Дорис Арзуманян, доцент Института перспективных исследований Университета Кюсю. «Один из вопросов, которые мы изучаем, — роль магнитных полей в формировании звезд. Сильные магнитные поля пронизывают протозвездные ядра. Если поле слишком сильное, оно может замедлить гравитационный коллапс и, следовательно, формирование звезд. Мы хотели выяснить, как предзвездные ядра уменьшают силу своего магнитного поля».

Естественное разделение заряженной и нейтральной материи

Команда исследователей изучала L1544 с помощью 30-метрового (98-футового) телескопа Института радиоастрономии в миллиметровом диапазоне (IRAM). L1544 находится в молекулярном облаке Тау Кита, одной из ближайших к Земле крупных областей звездообразования, которая часто становится объектом исследований ранней эволюции звезд.

Материал внутри молекулярного облака не является электрически однородным. Некоторые частицы заряжены, а другие нейтральны. Заряженные частицы, или ионы, сильно реагируют на магнитные поля. Нейтральные частицы не взаимодействуют с этими полями напрямую, хотя столкновения с ионами могут влиять на их движение.

В достаточно плотном ядре эта связь может начать ослабевать. Тогда нейтральные частицы могут проскальзывать мимо ионов и двигаться внутрь под действием силы тяжести, в то время как ионы остаются более тесно связанными с магнитным полем. Это относительное движение называется ионно-нейтральным дрейфом, и именно его можно наблюдать при амбиполярной диффузии.

Обнаружить этот дрейф сложно. Многие молекулы, которые обычно используются для отслеживания движения газов, в таких холодных условиях замерзают на частицах пыли, что значительно затрудняет их наблюдение.

Поэтому исследователи сравнили две молекулы, которые могут сохраняться в плотных областях протозвездных ядер.

«Мы выбрали в качестве индикаторов диазенилий-d1 (N2D+), ион, и пара-монодейтерированный аммиак (пара-NH2D), нейтральную молекулу, потому что они обычно находятся в схожих областях высокой плотности внутри протозвездных ядер», — объясняет второй автор исследования Сильвия Спеццано, руководитель группы в Институте внеземной физики Общества Макса Планка. Поэтому мы собрали спектральные данные ядра и смоделировали скорость движения двух молекул».

Крошечная разница с серьезными последствиями

Два индикатора не двигались с абсолютно одинаковой скоростью. Исследователи измерили разницу в скорости примерно в 0,05 км/с (0,03 мили/с).

По обычным меркам, это небольшое отклонение, но в холодном, медленно эволюционирующем облаке оно может свидетельствовать о фундаментальных изменениях во взаимодействии материи с магнитным полем.

По мере того как L1544 становится плотнее, излучению все труднее проникать внутрь. По мере уменьшения количества ионизирующего излучения, достигающего ядра, доля заряженных частиц уменьшается. Столкновения становятся менее эффективными в плане принуждения нейтрального вещества к движению в соответствии с магнитным полем, что позволяет этому веществу свободнее дрейфовать внутрь.

Затем нейтральный газ под действием гравитации устремляется к центру, в то время как ионы продолжают двигаться медленнее под действием магнитного поля. Возникающая разница в скорости, по мнению ученых, свидетельствует об амбиполярной диффузии.

«Этот процесс известен как амбиполярная диффузия. До сих пор наблюдение этого явления в протозвездном ядре было серьезной проблемой», — продолжает Арзуманян. «По мере развития амбиполярной диффузии сила магнитного поля уменьшается. В конце концов гравитация становится основной движущей силой в ядре, что приводит к его гравитационному коллапсу и превращению в протозвезду.

Почему этот результат важен

Амбиполярная диффузия уже давно фигурирует в теоретических моделях звездообразования, но напрямую обнаружить ее в реальном протозвездном ядре было непросто. Измеренный дрейф в L1544 дает астрономам возможность проверить, насколько точно эти модели описывают переход от стабильного облака к коллапсирующему звездному зародышу.

Этот результат также помогает установить связь между событиями, происходящими в совершенно разных масштабах. Разница в скорости всего в несколько сотых километра в секунду может повлиять на то, схлопнется ли облако, как быстро сформируется протозвезда и как материал распределится вокруг молодой звезды.

Исследователи планируют наблюдать за другими предзвездными ядрами, чтобы выяснить, наблюдается ли такая же закономерность в других местах. Измерения с более высоким разрешением также могут показать, где ионно-нейтральный дрейф наиболее силен и как он меняется по мере схлопывания ядра.

«Эти результаты стали возможны благодаря междисциплинарному сотрудничеству опытных наблюдателей и теоретиков в области газовой динамики, астрохимии и физики пыли», — заключает Арзуманян. “Понимание процесса звездообразования решает фундаментальный вопрос о происхождении жизни в планетных системах и помогает нам лучше понять Вселенную в целом”.