Как ученые ИПФ РАН изучают образование звезд

Благодаря ярким событиям в астрономии и астрофизике (например, получение первого изображения тени черной дыры) все больше людей интересуется этими науками. Появляется множество научно-популярных лекций и книг о космосе, и, наверно, уже практически каждый может с уверенностью сказать, как образуются звезды. Однако не все так просто. Мы поговорили с Игорем Ивановичем Зинченко, заведующим отделом радиоприемной аппаратуры и миллиметровой радиоастрономии ИПФ РАН о том, как отличается образование звезд разной массы, с помощью каких инструментов ученые наблюдают этот процесс и что такое прецизионная спектроскопия.

– Почему вы решили изучать именно процесс звездообразования?

Мы уже много лет занимаемся этой тематикой. Все началось с разработки миллиметровой радиоприемной аппаратуры, которая в свое время создавалась в Научно-исследовательском радиофизическом институте, а затем и в Институте прикладной физики. И когда наши предшественники стали смотреть, куда применить эту технику, одним из таких направлений стало изучение холодных межзвездных облаков, которые излучают, в основном, в миллиметровом диапазоне. Примерно 50 лет назад проводились первые наблюдения спектральных линий молекул, сначала в Крыму на 22-метровом телескопе, а затем и на зарубежных инструментах. Вопрос звездообразования всегда интересовал людей, и на этот счет были разные мнения. Например, выдающийся советский астрофизик Виктор Амазаспович Амбарцумян считал, что звезды рождаются из так называемых D-тел – гипотетических сверхплотных тел, которые распадались и образовывали светила. Это мнение было основано на наблюдениях молодых звездных ассоциаций, которые, как казалось, расширяются. Но сейчас доказано, что звезды образуются из разреженного газа, из холодных межзвездных облаков, а наблюдения, лежащие в основе гипотезы В.А. Амбарцумяна, имеют другие объяснения.

– Все ли звезды образуются одинаково?

Нет, процесс зависит от массы звезды. Есть звезды сравнительно небольшие, типа нашего Солнца, а есть те, которые в сотню раз больше по массе. И тут возникает вопрос, как образуются такие массивные звезды, потому что здесь есть проблема. С теоретической точки зрения довольно подробно описано, как рождаются звезды наподобие Солнца, хотя здесь тоже есть свои сложности. Например, раньше была модель изотропного сжатия газового облака, в результате чего в нем образуется звездное ядро. На самом деле, в космосе все объекты так или иначе вращаются, и когда облако начинает сжиматься, образуется диск. Вещество из этого диска постепенно «падает» на протозвезду, однако часть его выбрасывается вдоль оси вращения и образует так называемые высокоскоростные биполярные истечения. Что касается массивных звезд, они очень рано набирают массу, достаточную для начала ядерных реакций. Мощное излучение может остановить дальнейшую аккрецию вещества, поэтому еще не до конца изучено, как массивные звезды собирают нужную большую массу. Исследованием этого вопроса сейчас занимается несколько научных групп, в том числе и мы.

– Какие инструменты необходимы, чтобы изучить, как образуются такие звезды?

Чтобы наблюдать этот процесс в деталях, необходимо хорошее угловое разрешение. Оно определяется отношением длины волны к размеру антенной системы. У радиотелескопов – одиночных антенн – эта величина составляет, в лучшем случае, десятые доли угловой минуты – чуть лучше, чем у человеческого глаза. А для того, чтобы разглядеть, что происходит в областях звездообразования, в тысячах световых лет от нас, необходимо более высокое разрешение. Поэтому были созданы интерферометры – системы антенн, которые находятся на большом расстоянии друг от друга. Самая современная и продвинутая в этом смысле антенная решетка миллиметрового и субмиллиметрового диапазона – ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) – расположена в высокогорной пустыне Атакама в Чили на высоте в 5 км. Здесь очень хороший астроклимат: сухо, мало водяного пара, атмосфера меньше поглощает миллиметровые и субмиллиметровые волны. Также мы тесно сотрудничаем с учеными из Тайваньского Института астрономии и астрофизики, которые являются совладельцами Субмиллиметровой антенной решетки на Гавайях. С помощью интерферометров нам удалось разглядеть несколько интересных объектов в деталях. Например, в одном из массивных протозвездных объектов с вращающимся диском мы впервые зарегистрировали вспышку светимости в субмиллиметровом диапазоне, подобную тем, которые раньше наблюдались только в объектах небольшой массы, вроде нашего Солнца, но гораздо более мощную. Это говорит о том, что аккреция вещества в таких объектах на центральную протозвезду происходит не в непрерывном режиме, а эпизодически. Также нам удалось открыть новую мазерную линию метанола, которой не было ни в одной из теоретических моделей. Сейчас мы продолжаем наблюдать ее и другие линии этой серии в других объектах.

– Как вы выбираете объекты для исследования?

Есть несколько индикаторов, которые показывают, что происходит образование массивных звезд, например, те же самые мазеры или мощное инфракрасное излучение. На самом деле, один из самых интересных вопросов – как найти массивные дозвездные ядра, в которых еще не возникло звездное ядро, которое и создает все эти эффекты.

– Расскажите, пожалуйста, что такое прецизионная спектроскопия? Что с ее помощью исследуется?

Когда мы исследуем области звездообразования, важно изучить относительное движение разных компонент. В этом помогает метод спектрального анализа. В разных частях областей звездообразования возбуждаются разные молекулы, и, наблюдая их спектральные линии, мы можем видеть благодаря эффекту Доплера, куда они двигаются относительно друг друга. Чтобы отследить эти движения, мы должны знать частоты этих спектральных линий, измерениями которых и занимается прецизионная спектроскопия. Оказалось, что точность частот, измеренных в лабораторных условиях, во многих случаях недостаточна. Поэтому наша научная группа занимается в том числе уточнением частот целого ряда молекул, которые помогают изучать области образования звезд. Это направление активно развивает Александр Владимирович Лапинов. В значительной мере по его инициативе в отделе микроволновой спектроскопии был создан субдоплеровский спектрометр на основе провала Лэмба, который позволяет измерять частоты многих переходов с точностью на 1-2 порядка лучше прежнего. После того, как мы провели измерения с помощью этого прибора, обнаружилось, что в некоторых случаях на точность влияет ряд лабораторных эффектов. Сейчас, как раз в рамках продленного гранта РНФ, мы разрабатываем усовершенствованный спектрометр, который может позволить провести новые, более точные измерения. Кроме того, на основе предыдущих измерений был создан Атлас спектров межзвездных молекул, важных для астрофизики. Но прецизионность в нашем случае относится не только к измерениям частот, но также к измерениям интенсивности и других параметров спектральных линий.

– Какие задачи также решаются с помощью прецизионной спектроскопии?

Например, одно из интересных направлений – поиск вариаций так называемых фундаментальных физических констант. Одна из них – это отношение массы электрона к массе протона. В стандартных теориях, описывающих Вселенную, оно действительно является константой. Однако сейчас появляются нестандартные теории, связанные, в частности, с попыткой объяснить ускоренное расширение Вселенной. И в них отношение масс уже не является константой, а, например, меняется в зависимости от локальной плотности барионного вещества. Сравнивая относительные частоты спектральных линий, имеющих разную чувствительность к этому отношению масс, в лаборатории и в космосе, можно попробовать проверить эти теории. В рамках проекта мы провели такую работу и получили самый строгий на сегодняшний день верхний предел на возможные вариации отношения масс электрона и протона в локальной межзвездной среде.