Самая большая звезда нашей Галактики погружена в кокон, напоминающий мяч для игры в регби

Коротко:

Еще с 1841 года, когда особо не выделявшаяся прежде звезда южного полушария неба Эта Киля испытала мощную вспышку, астрономы пытались понять, что же все-таки произошло на этой нестабильной гигантской звезде. Однако, колоссальное расстояние до нее - около 7500 световых лет - надежно скрывало от наблюдателей любые детали ее лика.

Сегодня мы знаем, что Эта Киля окружена туманностью, называемой за ее крошечный размер Гомункулусом, которая состоит из двух раздувающихся облаков, выброшенных звездой в противоположных направлениях. Каждое из них имеет размеры в сотни раз превышающие размеры Солнечной системы.

Рис. 1. Звезда Эта Киля, окруженная двухлопастной туманностью Гомункулус. Снимок сделан Космическим телескопом имени Хаббла.

Теперь, благодаря инфракрасному интерферометру VINCI, созданному для комбинированной работы телескопов Европейской южной обсерватории на горе Паранал, группе ученых под руководством голландского астронома Роя ван Бекеля удалось заглянуть в самую сердцевину мощных потоков звездного ветра, исторгаемого звездой. "Форма непрозрачного кокона звездного ветра Эты Киля оказалась сильно вытянутой, - утверждает Рой, - а сама звезда балансирует на грани стабильности из-за очень быстрого вращения".

Эта Киля - самая яркая звезда из известных нам в Млечном Пути - действительно во всех отношениях может называться настоящим исполином. Она в 100 раз тяжелее Солнца и светит как 5 миллионов солнц одновременно (речь идет о полной, то есть болометрической светимости - прим. перев.). Сейчас Эта Киля вышла на заключительный этап своей эволюции, характеризующийся проявлением сильной нестабильности. Временами она переживает гигантские вспышки, одна из которых имела место в 1841 году. Эта вспышка и породила ту удивительную биполярную туманность Гомункулус, которая видна в деталях на снимке Космического телескопа имени Хаббла, сделанном в 1995 году. В апреле 1843 года, невзирая на огромное расстояние до звезды (около 7500 световых лет), Эта Киля стала второй по яркости звездой на земном небосводе и имела блеск около -1^m. Она уступала только Сириусу.

Рис. 2. Центральная часть туманности NGC3372 (туманность в Киле). Снимок сделан на 4-метровом телескопе имени Виктора Бланко в 1976 году (обсерватория Серро-Тололо, Чили). На снимке обозначены два скопления молодых звезд Trumpler 14 и Trumpler 16, пылевое облако в форме восьмерки, из-за которого Вильям Гершель дал центральной части туманности собственное имя - "Замочная скважина", а также сама звезда Эта Киля, которая в середине XIX века сияла гораздо ярче и, судя по рисункам Гершеля, более эффективно оттеняла "Замочную скважину".
На врезке вы видите фрагмент одного из известных снимков "Хаббла", на котором запечатлено испаряющееся газопылевое облако в форме руки с "указующим перстом". Зная, что перст всегда выдает направление на яркую звезду - виновницу испарения, мы тем не менее не видели этой звезды на хаббловском снимке. Здесь же ее можно указать с большой вероятностью - это HD 93162, горячая звезда типа Вольфа-Райе класса WN.

К удивлению европейских астрономов нынешние размеры звезды оказались исключительно большими: в Солнечной системе такой гигант поглотил бы даже орбиту Юпитера. Однако само по себе понятие размеров столь яркой звезды весьма неоднозначно. Дело в том, что ее внешние слои постоянно сдуваются в космическое пространство лучевым давлением: светимость звезды столь велика, что фотоны сообщают частицам газа ускорение, превосходящее гравитационное. Многие звезды, включая Солнце, тоже теряют массу благодаря дующему с их поверхности звездному ветру, но гораздо скромнее. В случае Эты Киля, темпы потери массы оказываются фантастическими - около 500 масс Земли в год! Поэтому очень трудно провести четкую границу между внешними слоями звезды и прилегающими к ним областями уходящего в космическое пространство плотного звездного ветра.

Теперь, благодаря инфракрасному интерферометру VINCI и системе адаптивной оптики NAOS-CONICA на 8-метровых телескопах Европейской южной обсерватории удалось кое-что узнать о структуре недосягаемой ранее области интенсивного звездного ветра вокруг Эты Киля.

Сначала астрономы заглянули в глубины туманности Гомункулус с помощью системы ападтивной оптики на 8-метровом телескопе Йепун, которая позволила им разглядеть детали размером с Солнечную систему. Полученный снимок показал, что в самой центральной области туманности Гомункулус доминирует объект, видимый на снимке как яркий точечный источник, который окружен горячим облаком клочковатой структуры.

Рис. 3. Демонстрация возможностей системы адаптивной оптики 8-метрового телескопа Йепун: на правом снимке мы видим непосредственное окружение звезды в инфракрасных лучах.

На пределе возможностей

Чтобы получить еще более детальную картину, астрономы обратились за помощью к методу интерферометрии. В этом методе свет от двух или более телескопов комбинируется таким образом, что итоговое разрешение соответствует одному телескопу с размером зеркала, равным расстоянию между участвующими в методе инструментами.

Для изучения столь яркой в инфракрасном диапазоне звезды, как Эта Киля, вовсе не требовалось всей мощи 8-метровых гигантов VLT. Поэтому инженеры Европейской южной обсерватории соединили интерферометром VINCI два 35-см сидеростата (те самые тестовые телескопы, на которых в марте 2001 года был впервые испытан интерферометр VLT).

Для получения различных конфигураций, требуемых в интерферометрическом методе, их располагали в указанных астрономами точках на наблюдательной площадке VLT на вершине горы Паранал. Максимальное разделение телескопов составило 62 метра. В течении нескольких ночей эти два небольших телескопа согласованно направлялись на Эту Киля, а световые лучи от них собирались в общем фокусе системы VINCI, находящемся в интерферометрической лаборатории VLT. Благодаря этим наблюдениям удалось определить угловые размеры звезды в различных направлениях на небе.

Доведя пространственное разрешение этой конфигурации телескопов до предела, астрономы разглядели форму внешней поверхности Эты Киля (форму кокона непрозрачного звездного ветра, или псевдофотосферы, - прим. перев.). Им оказались доступны детали с угловыми размерами всего 5 миллисекунд. На таком расстоянии это соответствует 11 астрономическим единицам, то есть почти орбите Юпитера.

Необычная форма

Интерферометрические наблюдения преподнесли астрономам неожиданный сюрприз. Оказалось, что форма кокона непрозрачного звездного ветра вокруг Эты Киля сильно вытянута: одна ось в полтора раза длиннее другой! Причем длинная ось кокона оказалась сонаправленной с осью, вдоль которой были выброшены оба облака биполярной туманности Гомункулус.

Значит, несмотря на гигантскую разницу в масштабах, сама звезда и туманность Гомункулус вокруг нее оказались согласованно ориентированными в пространстве.

Рис. 4. Так выглядит звезда Эта Киля в представлении Роя ван Бекеля и его коллег. Разберемся, что откуда вытекает. Овальный кокон звездного ветра, оказавшийся непрозрачным в ИК-лучах для интерферометра VINCI, - именно его в пресс-релизе ESO сравнили с "мячом для игры в регби" (на схеме изображен пунктиром). Это просто условная граница, на которой оптическая толщина кокона звездного ветра падает ниже единицы. Орбита Юпитера умещается в нем целиком. На оригинальной иллюстрации в пресс-релизе художник несколько перестарался и сделал границу этого "мяча" резкой. Такого конечно нет в реальности - плотность падает плавно по мере удаления от звезды. Сама Эта Киля, изображенная в центре "мяча" в виде сплюснутого сфероида, была бы видна в таком виде только в отсутствии звездного ветра. Ее сильная сплюснутость не является прямым наблюдательным фактом, а выводится астрономами из соображений, описанных далее в тексте. Наблюдательным фактом является лишь то, что длинная ось "мяча" совпадает в осью расширяющихся биполярных потоков туманности Гомункулус.

Инструменту VINCI оказалось по силам определить ту границу, где звездный ветер Эты Киля становится непрозрачным, то есть настолько плотным, что за ним уже ничего не видно. Похоже, этот ветер гораздо сильнее в направлении длинной оси.

Согласно господствующим в теории взглядам, звезды теряют основную часть массы с экватора. Просто потому, что там оторваться от вращающейся звезды звездному ветру помогает центробежная сила. Прилагая этот принцип к звезде Эта Киля, следовало бы считать, что ось ее вращения перпендикулярна оси биполярной туманности Гомункулус. Находясь в здравом уме, такое даже трудно себе представить, ибо тогда ось обоих облаков Гомункулуса располагалась бы как бы на спицах колеса, насаженного на ось вращения звезды! Опыт подсказывает, что при такой геометрии полюсов звезды, материя, выброшенная в 1841 году, расположилась бы вокруг Эты Киля кольцом или тором, а не двумя спицами.

Рой ван Бекель не сомневается, что "вырисовывающаяся общая картина может быть осмыслена только в одной конфигурации: когда кокон звездного ветра вытянут именно вдоль оси вращения звезды. Это полная противоположность обычной ситуации, согласно которой звезды и планеты благодаря центробежной силе сплющиваются с полюсов".

Следующая сверхновая?

Столь экзотическая форма звезд типа Эта Киля предсказывалась некоторыми теоретиками. Главная идея проста: со звездой все в порядке, она действительно сплюснута с полюсов, но при этом упрятана глубоко в кокон плотного непрозрачного звездного ветра. Еще немного фантазии и вы можете легко угадать оставшуюся часть этого объяснения: представляя себе сплюснутую с полюсов звезду, нетрудно понять, что ее полярные области будут находиться ближе к центральному термоядерному котлу. Ближе, значит там будет горячее. Значит именно на полюсах световое давление будет особенно интенсивно срывать внешние слои звезды и уносить их вовне посредством звездного ветра. Плотность звездного ветра на экваторе по этой причине будет существенно меньше, а значит, расширяясь от экватора, более "хилый" звездный ветер станет прозрачным на меньшем расстоянии от самой звезды, чем мощный ветер, дующий с полюсов. Вот и вся идея.

В рамках этой модели по форме кокона звездного ветра можно даже вычислить скорость вращения Эты Киля. Она получается исключительно большой - порядка 90% от максимально допустимой (из-за центробежного разрыва звезды).

После 1841 года Эта Киля пережила еще одну вспышку около 1890 года. Никто не знает, когда произойдет следующая, однако уже сейчас ясно, что этот нестабильный гигант больше не успокоится.

Сегодня он худеет такими темпами, что не пройдет и 100 тысяч лет, как от него ничего не останется. Более вероятно, однако, что задолго до истечения этого срока Эта Киля взорвется как сверхновая. При этом вполне может оказаться, что она будет видна на нашем небосводе невооруженным глазом даже днем. Это может случиться и очень скоро по астрономическим меркам - через каких-нибудь 10-20 тысяч лет.

перевод:
А.И.Дьяченко, обозреватель журнала "Звездочет"

1). Псевдофотосфера. Также как и фотосфера, псевдофотосфера звезды является тем слоем, глубже которого наш взгляд уже не проникает. Разница заключается лишь в том, что фотосфера обычной звезды, например Солнца, является оболочкой, которая, говоря простым языком, никуда не улетает. То есть она гравитационно связана со светилом. Приставку псевдо- добавляют в том случае, если эта внешняя оболочка стремительно расширяется и обречена на уход от звезды - она ей по существу уже не принадлежит. Но из-за своей высокой плотности она все еще не является прозрачной и поэтому формально отвечает определению фотосферы. Примером псевдофотосферы может служить оболочка новой звезды в первое время после вспышки; в момент, когда ее оптическая толщина падает ниже единицы, сквозь расширяющуюся оболочку начинает просвечивать звезда - виновница взрыва. С этого момента по определению ее оболочка перестает быть не только псевдо-, но и вообще всякой фотосферой. (вернуться...)

Оказывается, прямое наблюдение необычной формы кокона звездного ветра Эты Киля, выполненное астрономами под руководством Роя ван Бекеля, - это уже не первое наблюдательное подтверждение гипотезы о том, что звездный ветер у быстровращающихся тяжелых сверхгигантов должен быть мощнее на полюсах, чем на экваторе. (Из-за сильно сплюснутой формы этих звезд их полярные области оказываются существенно ближе к горячему ядру, чем экваториальные; давление излучения оказывается здесь выше, и звездный ветер, движимый мощным лучевым давлением, доминирует над ними, а не над экватором, как считалось ранее на основании простых соображений относительно центробежного эффекта.)

Ранее астрономы под руководством Натана Смита уже подтвердили эту гипотезу, опираясь на следующую оригинальную идею: туманность Гомункулус - отражательная туманность. Мы видим ее ориентацию в пространстве, знаем, как расположена ось ее лопастей. При таких благоприятных условиях можно изучать спектр звезды как бы глядя на нее с разных сторон. Для этого при помощи спектрографа STIS на борту орбитального телескопа имени Хаббла астрономы получили спектр различных областей туманности Гомункулус, которые отражают свет соответственно обращенных к ним участков поверхности звезды. Оказалось, что спектр излучения звезды зависит от широты. Изучив профили поглощения, окаймляющие водородные линии бальмеровской серии (так называемые P Cygni профили), астрономы обнаружили, что не только плотность, но и скорость звездного ветра у полюсов звезды выше, чем на экваторе.

Рис. 5. Получив спектр различных участков туманности Гомункулус, Натан Смит и его коллеги изучали P Cygni профили водородных линий серии Бальмера (названы так в честь звезды P Лебедя, у которой они впервые наблюдались).
Такой профиль, изображеннный на схеме, состоит из обычной эмиссионной линии (E) и близко примыкающей к ней с фиолетовой стороны абсорбционной компоненты (A). Если он возникает в спектре звезды, то наблюдается у многих линий одновременно. Причина появления компоненты A - движущийся в сторону наблюдателя на высоких скоростях газ (звездный ветер в случае Эты Киля), который привносит в спектр смещенные в фиолетовую сторону линии поглощения тех же элементов, которые в эмиссионной форме проявляют себе в фотосфере звезды (псевдофотосфере в случае Эты Киля). По смещению компоненты A в фиолетовую сторону определяется скорость истекающих от звезды газовых потоков; по ее глубине - их мощность.
Желтым цветом на схеме изображена туманность Гомункулус, видимая с экватора. Компоненты А в профилях P Cygni около оси туманности оказались систематически более глубокими и сильнее смещенными в фиолетовую область, чем на ее боках. Это означает в точности то же, что воочию увидел Рой с помощью интерферометра VINCI.

В целом пресс-релиз Европейской южной обсерватории понятен и в комментариях почти не нуждается. Однако ни в нем, ни в своей статье для журнала Astronomy & Astrophysics Рой ван Бекель не упомянул об одной очень важной детали: предполагаемой двойственности Эты Киля. Дело в том, что теоретически выводимая им очень высокая скорость вращения звезды (~90% от максимально возможной) - это следствие двух допущений: допущения о том, что геометрия звездного ветра определяется исключительно самой звездой, и допущения о некоторых деталях ее строения (например о наличии неконвективной оболочки, что само по себе не очевидно для звезды, излучающей почти на эддингтоновском пределе).

Наличие компаньона может столь радикально влиять на структуру звездного ветра Эты Киля, что хотя бы упомянуть об этой возможности все-таки стоит. Тем более, что некоторые наблюдаемые свойства этой звезды делают гипотезу двойственности более предпочтительной (этого мнения придерживаются в последнее время многие астрономы).

Голландский астроном Рой ван Бекель - человек достаточно решительный и не лишенный чувства юмора. То, о чем умалчивает Рой, вы можете узнать, прочитав перевод обзорной статьи "Загадочная Эта Киля" из февральского номера журнала Astronomy & Geophysics за 2003 год.

Отметим также одну из строк пресс-релиза: "Эта Киля - самая яркая звезда из известных нам в Млечном Пути...". Конечно, эта тема сама по себе заслуживает отдельной статьи. Можно указать и другие известные звезды Галактики с колоссальной светимостью, такие как Пистолет (из скопления "Пять Близняшек" около самого центра Млечного Пути), Cyg OB2 #12 (из богатой звездной ассоциации Лебедь OB2) или HD93129A (этот гигант является соседом Эты Киля по туманности, живущим в скоплении Trumpler 14). Все они являются сегодня кандидатами на роль светила с самой высокой в Галактике светимостью и служат объектами пристального изучения, но точки над i до сих пор не расставлены.

А.И.Дьяченко, обозреватель журнала "Звездочет"