Астроновости: самая чистая звезда, динамика спиралей в протопланетном диске, туманность Кошачья Лапа… - Троицкий вариант — Наука
Новые алгоритмы астрономической визуализации
Одной из главных проблем наземной астрономии остается искажение света земной атмосферой. Даже при использовании телескопов крупнейших обсерваторий световые лучи, проходя через турбулентные слои воздуха, испытывают смещение и размытие, что делает изображения далеких галактик и звезд менее четкими. Классические методы обработки данных способны частично компенсировать эти эффекты, однако они часто жертвуют деталями или добавляют искусственные шумы.
Группа специалистов в области прикладной математики и астрономии разработала вычислительный метод ImageMM, который позволяет наземным телескопам достигать четкости изображений, сопоставимой с космическими обсерваториями. Новизна алгоритма в том, что он позволяет учитывать вариации атмосферы как динамической системы и воссоздавать исходный сигнал с высокой степенью достоверности. По сути, алгоритм «учится» видеть сквозь атмосферную завесу, восстанавливая скрытую структуру объектов [1].
Практическое тестирование метода проводилось на изображениях, полученных телескопом Subaru на Мауна-Кеа. Алгоритм смог обработать серию размытых и зашумленных снимков всего за несколько секунд, выявив на них тонкие детали, которые ранее терялись в шуме, например сложную структуру спиральных галактик. Алгоритм намеренно тестировался на данных, максимально приближенных к тем, которые будут получены на Обсерватории имени Веры Рубин, где будет важна высокая точность восстановления формы галактик и звездных скоплений.
Особую важность подобные методы имеют для космологии. Точное определение форм галактик и изучение статистики их искажений лежит в основе исследований темной материи и темной энергии. Даже небольшое улучшение качества изображений существенно повышает точность таких измерений, особенно в проектах, рассчитанных на колоссальные объемы данных.
Хотя космические телескопы обеспечивают более «чистые» наблюдения, их поле зрения ограничено. Так, за десятилетия работы телескопа «Хаббл» удалось охватить лишь малую долю неба. Напротив, наземные обсерватории могут регулярно картографировать всю небесную сферу, а внедрение новых алгоритмов делает эти данные сопоставимыми по качеству с космическими.
1. iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-3881/adfb72
Структура и эволюция NGC 2775
Галактика NGC 2775, расположенная на расстоянии 67 млн световых лет от нас в созвездии Рака, представляет интерес для астрономов благодаря своему необычному строению. Данные космического телескопа «Хаббл» [2] выявили особенности, затрудняющие ее однозначную классификацию. Центральная область NGC 2775 — гладкая и лишенная газа, что характерно для эллиптических галактик, а внешние области состоят из пылевого кольца с фрагментированными скоплениями звезд, как у спиральных галактик. Поэтому единого мнения относительно классификации NGC 2775 нет. Часть астрономов относит ее к спиральным галактикам, обращая внимание на внешнее «пушистое» кольцо из звезд и пыли. Другие склонны считать ее галактикой переходного типа — линзовидной, сочетающей черты как спиральных, так и эллиптических систем. Линзовидные галактики могут формироваться различными путями: в результате слияния спиральных галактик или вследствие исчерпания запасов газа, необходимого для формирования новых звезд и поддержания четкой спиральной структуры.
Одним из ключевых аргументов в пользу того, что NGC 2775 стала результатом слияния галактик, является наличие у нее протяженного хвоста из водорода. Этот хвост, который не виден на изображении «Хаббла», имеет длину почти 100 тыс. световых лет и как бы опоясывает галактику. Астрономы интерпретируют его как остаток карликовой галактики-спутника, которая была разорвана и поглощена NGC 2775 под действием приливных сил.
Чаще всего NGC 2775 относят к подтипу флоккулентных, или «хлопьевидных» спиральных галактик. Для этого типа характерны плохо очерченные, прерывистые спиральные рукава. Вместо четких дуг они образуют набор отдельных «пуховых» фрагментов и звездных сгустков, которые в целом формируют подобие спиральной структуры.
Представленное изображение, полученное «Хабблом», включает наблюдения в спектральном диапазоне Hα, в котором излучают облака водорода вокруг молодых массивных звезд. Это позволяет с высокой точностью идентифицировать области активного звездообразования, которые на снимке видны как яркие розоватые сгустки.
Таким образом, NGC 2775 служит наглядным примером сложности и непрерывности процессов галактической эволюции. Ее изучение позволяет глубже понять механизмы трансформации галактик под влиянием как внутренних процессов, так и внешних взаимодействий.
2. science.nasa.gov/missions/hubble/hubble-captures-puzzling-galaxy
Динамика спиралей в протопланетном диске
Астрономам впервые удалось зафиксировать динамическое движение спиральных структур в протопланетном диске — вращающемся диске из газа и пыли вокруг молодой звезды, который служит колыбелью для формирования планет. Семилетние наблюдения за звездой IM Lupi, проведенные с помощью Атакамской большой решетки миллиметрового диапазона (Atacama Large Millimeter Array, ALMA), показали характерное закручивание спиралей и позволили предположить, что в этой системе начинается период активного планетообразования [3].
Протопланетные диски — это сложные системы, в которых газовая динамика, турбулентность и самогравитация приводят со временем к формированию устойчивых структур. Спирали внутри таких дисков давно уже рассматривались как индикатор наличия массивных протопланет или гравитационной неустойчивости. Однако до сих пор астрономы изучали лишь отдельные снимки, а вот благодаря наблюдениям ALMA в 2017, 2019 и 2024 годах удалось проследить эволюцию спиральных рукавов, получив своего рода анимацию происходящих в них процессов.
Видно четкое динамическое закручивание спиралей со скоростью, соответствующей моделям, основанным на гравитационной неустойчивости диска. Динамика спиралей имеет фундаментальное значение для теории планетообразования. Волновые структуры перераспределяют угловой момент и плотность вещества, создавая условия для локальной концентрации пыли и последующего роста планетезималей. Наблюдения IM Lupi подтвердили, что спирали способны не только указывать на присутствие формирующихся протопланет, но и сами служат механизмом их зарождения, усиливая фрагментацию и аккрецию [4].
Это открытие стало реальным благодаря уникальным характеристикам обсерватории ALMA: высокой разрешающей способности, сравнимой с возможностью разглядеть теннисный мяч с расстояния 15 км, и стабильной работе на протяжении многих лет. Наблюдая Вселенную в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах, ALMA способна заглянуть в темные и холодные регионы космоса, такие как внутренние области протопланетных дисков, невидимые для оптических телескопов. Дальнейшие наблюдения за IM Lupi и другими подобными системами с помощью ALMA помогут составить более полную картину того, как из протопланетного диска рождаются планеты.
3. alma-telescope.jp/en/news/press/vimage-202509.html
4. nature.com/articles/s41550-025-02639-y
Химия и условия образования спутников
Пока ALMA наблюдала за спиралями в протопланетном диске, телескоп «Джеймс Уэбб» провел прямые измерения химических и физических свойств околопланетной среды, окружающей массивную экзопланету, находящуюся на финальном этапе формирования. Объектом исследования стала экзопланета CT Cha b, расположенная на расстоянии 625 световых лет от Земли [5].
CT Cha b обращается вокруг очень молодой звезды, возраст которой оценивается всего в 2 млн лет. Сама звезда всё еще активно аккрецирует вещество из своего протопланетного диска. Однако изученный «Джеймсом Уэббом» диск является независимым образованием, связанным с экзопланетой, а не со звездой, и находится на расстоянии около 495 а. е. (74 млрд км) от нее.
Наблюдения проводились с помощью инструмента MIRI (Mid-Infrared Instrument), установленного на телескопе. Спектрограф среднего инфракрасного диапазона позволил выделить слабый сигнал планеты на фоне значительно более яркого излучения родительской звезды. В околопланетном диске было идентифицировано семь углеродосодержащих молекул, в том числе ацетилен и бензол. Данные показали разительный химический контраст между диском планеты и диском звезды. В то время как диск CT Cha b оказался богат углеродом, в диске центральной звезды углерода не обнаружили, зато там нашли воду. Такое различие указывает на возможность очень быстрой химической эволюции околопланетных дисков, которая произошла за короткий по астрономическим меркам промежуток времени — менее чем за 2 млн лет.
Этот результат имеет фундаментальное значение для понимания формирования планетных систем. Считается, что крупные спутники планет-гигантов, такие как галилеевы луны Юпитера, образовались миллиарды лет назад из подобных околопланетных дисков. Наблюдения за CT Cha b предоставляют уникальную возможность непосредственно изучать процессы, сходные с теми, что происходили в ранней Солнечной системе. В ближайший год астрономы планируют использовать возможности «Джеймса Уэбба» для более масштабного исследования химических и физических свойств дисков у молодых планет, что позволит оценить разнообразие условий, в которых формируются спутники.
5. iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ae0290
SDSS J0715-7334: самая химически чистая звезда
В иерархии космических объектов особое место занимают светила с низкой «металличностью» — т. е. с предельно низким содержанием элементов тяжелее гелия, которые в астрономии для упрощения называют металлами. Подобные звезды являются реликтами ранней Вселенной, прямыми потомками звезд населения III — первого поколения звезд после Большого взрыва, которые, как считается, были такими массивными, что быстро эволюционировали и не дожили до наших дней. Открытие звезды SDSS J0715-7334, красного гиганта в гало Млечного Пути — важный шаг в поиске этих космологических артефактов. Астрономический анализ демонстрирует, что этот объект обладает самой низкой общей металличностью среди звезд, известных на текущий момент [6], в том числе предыдущего рекордсмена, звезды J1029+1729. Ключевой фактор — чрезвычайно низкое содержание не только железа, но и углерода.
Кинематический анализ орбиты SDSS J0715-7334 указывает на ее внегалактическое происхождение. Звезда является «иммигрантом», захваченным Млечным Путем из гало Большого Магелланова Облака. Это значит, что подобные объекты сто́ит искать и за пределами нашей галактики. Кроме того, наличие таких звезд в БМО накладывает ограничения на модели звездообразования в ранней Вселенной. Согласно текущим теориям, переход от массивных звезд населения III к современным маломассивным звездам требует, чтобы происходила фрагментация молекулярного облака вследствие его охлаждения. Это охлаждение может происходить за счет углерода и кислорода, но в таком случае требуется гораздо бо́льшая «металличность», чем у SDSS J0715-7334, а значит, при возникновении таких звезд, как эта, работает иной механизм — охлаждения пылью, что эффективно при низких «металличностях».
Изучение химического состава SDSS J0715-7334 позволяет смоделировать свойства ее звезды-прародителя: это сверхновая с начальной массой около 30 М⊙ и высокой энергией взрыва — порядка 5 × 1051 эрг. Всё это контрастирует с более легким (10–20 M⊙) и менее энергичным прародителем звезды J1029+1729, что, возможно, указывает на то, что звезды населения III имели различные массы, зависящие от среды, в которой они формировались.
Открытие SDSS J0715-7334 также задает новый ориентир для наблюдений за галактиками на телескопе «Джеймс Уэбб» (JWST). У ранних галактик, обнаруженных JWST, самая низкая «металличность» на порядок выше, чем у звезды SDSS J0715-7334. Можно ли считать, что в этих галактиках есть «безупречно чистые», состоящих только из водорода и гелия звезды населения III, а не звезды второго поколения, подобные SDSS J0715-7334? Для этого потребуются наблюдения с гораздо более высокой чувствительностью.
Изображение номера — NGC 6334
Эту эмиссионную туманность также называют Кошачьей Лапой из-за внешнего вида. Только лапа эта — размером ~320 световых лет.
Туманность находится в созвездии Скорпиона и удалена от нас на ~4370 световых лет. NGC 6334 представляет собой гигантское молекулярное облако, в котором наблюдаются различные стадии формирования массивных звезд. Открыта туманность была 7 июня 1837 года английским астрономом Джоном Гершелем, который наблюдал ее с мыса Доброй Надежды в Южной Африке.
Алексей Кудря