Бурные процессы в планетарных туманностях

В качестве генераторов термоядерного синтеза большинство звёзд ведёт мирное существование в течение сотен миллионов или даже миллиардов лет.
Но ближе к концу своей жизни они могут превратиться в неистовые "водовороты", сбрасывающие свои оболочки и извергающие струи горячего газа.
Астрономы использовали весь спектр возможностей визуализации Хаббла, чтобы изучить эти бурные фейерверки в двух соседних молодых планетарных туманностях.
Туманность NGC 6302 получила название Бабочка из-за своего "двухкрылого" внешнего вида. А туманность NGC 7027 напоминает жемчужного жука, насекомое с блестящей хитиновой оболочкой.

Исследователи обнаружили беспрецедентный уровень сложности и быстрые изменения в струях и пузырьках газа, исходящих от звёзд, которые расположены в центрах обеих туманностей. Хаббл позволяет учёным приблизиться к пониманию механизмов, лежащих в основе этого хаоса.

"Когда я заглянул в архив Хаббла и понял, что ещё никто не проводил наблюдения этих туманностей с помощью широкоугольной камеры 3 Хаббла во всём доступном ей диапазоне длин волн, то был удивлён, - говорит Джоэл Кастнер из Рочестерского технологического института, руководитель нового исследования. - Многочастотные наблюдения Хаббла дают на сегодняшний день наиболее полное представление об обеих впечатляющих туманностях. Загружая полученные новые изображения, я чувствовал себя ребёнком, попавшим в кондитерскую".

Исследуя эту пару туманностей с помощью полных панхроматических возможностей Хаббла, производя наблюдения в ближнем ультрафиолетовом и ближнем инфракрасном спектре, команда учёных выявила несколько поразительных моментов.
В частности, новые изображения Хаббла наглядно показывают, что обе туманности расширяются за чрезвычайно короткие промежутки времени, и это позволяет астрономам видеть изменения буквально за последние пару десятилетий.
Некоторые из этих быстрых изменений могут быть косвенным свидетельством слияния центральной звезды с её звездой-компаньоном в двойной системе.

"Туманность NGC 7027 демонстрирует излучение в невероятно широком диапазоне различных длин волн, каждая из которых выявляет не только конкретный химический элемент в туманности, но и продолжающиеся значительные изменения в её структуре", - объясняет Кастнер.
Исследовательская группа также наблюдала туманность Бабочка, которая является похожей на туманность Жемчужного жука: обе являются одними из самых пыльных известных планетарных туманностей и обе содержат необычайно большие массы газа, поскольку сформировались сравнительно недавно. Всё это делает их очень интересной парой для параллельного изучения.

Подробные многоволновые наблюдения каждой туманности с помощью Хаббла помогают исследователям проследить историю образования в них ударных волн. Как правило, ударные волны возникают, когда стремительные свежие звёздные ветры врезаются в медленно расширяющиеся окружающие газ и пыль, выброшенные звездой в её недавнем прошлом, образуя при этом пузырьковые полости с чётко очерченными стенками.

Исследователи предполагают, что в центрах обеих туманностей находятся (или находились) две звезды, вращающиеся друг относительно друга, как пара фигуристов.
Доказательством существования такого центрального "динамического дуэта" служат причудливые формы этих туманностей. Каждая из них имеет узкую пылевую "талию" и "лепестки", отходящие от полюсов (созданные истечением вещества), а также дополнительные сложные симметричные узоры.

Ведущая теория образования подобных структур в планетарных туманностях заключается в том, что теряющая массу звезда является одной из двух звёзд в двойной системе.
Две звезды вращаются друг относительно друга достаточно близко, чтобы при их взаимодействии сформировался газовый диск вокруг одной или обеих звёзд. Диск является источником истекающего в пространство вещества, направленного в противоположные стороны от центральной звезды.

Кроме того, звезда меньшего размера в паре может слиться со своим разрастающимся, быстро эволюционирующим звёздным компаньоном. Это также может вызвать неравномерные во времени выбросы вещества, образуя симметричный паттерн, в том числе похожий на тот, который наблюдается в NGC 6302 - туманности Бабочка. Подобная форма выбросов вещества характерна для планетарных туманностей.

"Предполагаемые звёзды-спутники в туманностях NGC 6302 и NGC 7027 непосредственно обнаружены не были, поскольку либо они расположены очень близко к своим более крупным компаньонам, либо уже были поглощены красными гигантскими звёздами, которые в сотни тысяч раз ярче Солнца, - сообщает член команды Брюс Балик из Вашингтонского университета. - Гипотеза о слиянии звёзд кажется лучшим и самым простым объяснением особенностей, наблюдаемых в наиболее активных и симметричных планетных туманностях. Это мощная объединяющая концепция, у которой пока нет конкурентов".


Туманность Бабочка

Представьте себе вращающийся опрыскиватель газонов, который выбрасывает два S-образных потока. Поначалу это выглядит хаотично, но если присмотреться, то можно проследить закономерности.
Подобная S-образная структура присутствует в туманности Бабочка, за исключением того, что в данном случае вместо воды, разлетающейся в воздухе, мы имеем газ, выдуваемый звездой с высокой скоростью.
И эта S-образная форма фиксируется фильтром камеры Хаббла, который регистрирует ближнее инфракрасное излучение от однократно ионизованных атомов железа.

"S-образная форма эмиссии железа в туманности Бабочки является настоящим откровением", - говорит Кастнер. По S-образной форме можно непосредственно отследить самые последние выбросы из центральной области, поскольку там особенно сильны столкновения различных "порций" звёздных ветров внутри туманности.
"Эмиссия железа является чувствительным индикатором энергетических столкновений между ветрами от звёзд, имеющих различные скорости, - объясняет Балик. - Обычно подобное наблюдается в остатках сверхновых и в активных ядрах галактик, а также в струях, выбрасываемых новорождёнными звёздами, но очень редко наблюдается в планетарных туманностях".

"Тот факт, что эмиссия железа проявляется только в противоположных направлениях от центра, означает, что источник быстрых истечений имеет колебания во времени, подобно волчку, который вот-вот упадёт, - добавляет Кастнер. - Это ещё один признак наличия диска аккреции, который управляет потоками вещества, а также существования бинарного звёздного компаньона".


Туманность Жемчужный жук

Планетарная туманность NGC 7027 в течение столетий медленно расширялась в виде спокойных сферически-симметричных или, возможно, спиральных узоров - до сравнительно недавнего времени.
"В некоторых отношениях изменения в этой туманности даже более драматичны, чем изменения в туманности Бабочка, - сообщает Кастнер. - Недавно что-то пошло не так в центре туманности Жемчужного жука, образовав новый узор, похожий на листья клевера, с выбросами вещества в определённых направлениях".

Новые изображения NGC 7027 показывают излучение однократно ионизированного железа, и это очень похоже на наблюдения, произведённые рентгеновской обсерваторией Чандра в 2000 и 2014 годах в ходе более ранних исследований Кастнера, Родольфо Монтеса-младшего из центра астрофизики в Гарвард-Смитсоновском университете и других соавторов.
По эмиссии железа можно проследить потоки, которые ориентированы с юго-востока на северо-запад и также производят головные ударные волны, видимые на изображениях от обсерватории Чандра в рентгеновском диапазоне.
"У нас есть подозрение, что эта туманность является хорошим примером того, что происходит при внезапном поглощении красным гигантом своего спутника", - говорит Монтес-младший.

Статья научной команды под названием "Первые результаты панхроматического исследования изображений HST/WFC3 молодых, быстро развивающихся планетных туманностей NGC 7027 и NGC 6302" была опубликована 15 июня 2020 года в журнале Galaxies ("Галактики").




Источник: https:// www.nasa.gov/ feature/ goddard/ 2020/ hubble-provides-holistic- view-of-stars- gone-haywire/