Околозвездный диск - Circumstellar disc

Околозвездная диск (или околозвездная диска ) представляет собой тор , блины или кольцеобразное накопление материи , состоящую из газа , пыли , планетезималей , астероидов или фрагментов столкновения в орбите вокруг звезды . Вокруг самых молодых звезд они являются резервуарами материала, из которого могут образовываться планеты. Они указывают на то, что вокруг зрелых звезд имело место образование планетезималей , а вокруг белых карликов - на то, что планетарный материал пережил всю звездную эволюцию. Такой диск может проявлять себя по-разному.

Юная звезда

У звезды SAO 206462 необычный околозвездный диск.

Согласно широко принятой модели звездообразования , иногда называемой небулярной гипотезой , молодая звезда ( протозвезда ) образуется в результате гравитационного коллапса кармана материи внутри гигантского молекулярного облака . Падающий материал обладает некоторым количеством углового момента , что приводит к образованию газообразного протопланетного диска вокруг молодой вращающейся звезды. Первый представляет собой вращающийся околозвездный диск из плотного газа и пыли, который продолжает питать центральную звезду. Он может содержать несколько процентов массы центральной звезды, в основном в виде газа, который сам по себе в основном состоит из водорода . Основная фаза аккреции длится несколько миллионов лет, со скоростью аккреции обычно от 10 -7 до 10 -9 солнечных масс в год (скорости для типичных систем, представленные в Hartmann et al.).

Диск постепенно остывает в так называемой сцене звезды Т Тельца . Внутри этого диска может происходить образование мелких пылинок из камней и льда, которые могут коагулировать в планетезимали . Если диск достаточно массивный, начинаются неконтролируемые наросты, в результате которых появляются планетарные зародыши. Считается, что образование планетных систем является естественным результатом звездообразования. Чтобы сформироваться солнцеподобной звезде, обычно требуется около 100 миллионов лет.

Вокруг Солнечной системы

Впечатление художника от переходного диска вокруг молодой звезды .

Бинарная система

Окружной диск вокруг AK Скорпиона , молодой системы в созвездии Скорпиона. Образ диска был сделан с помощью ALMA .

Нападение газа на двойную систему позволяет формировать околозвездные и околумбинарные диски. Формирование такого диска будет происходить в любой двойной системе, в которой падающий газ содержит некоторую степень углового момента. Общая прогрессия формирования диска наблюдается с увеличением уровня углового момента:

  • Окружной диск - это диск, который вращается вокруг главной (то есть более массивной) звезды двойной системы. Этот тип диска образуется в результате аккреции, если в падающем газе присутствует какой-либо угловой момент.
  • Вторичный диск - это диск, который вращается вокруг вторичной (то есть менее массивной) звезды двойной звездной системы. Этот тип диска образуется только тогда, когда в падающем газе присутствует достаточно высокий уровень углового момента. Количество необходимого углового момента зависит от отношения вторичной массы к первичной.
  • Окружной диск - это диск, который вращается вокруг первичной и вторичной звезд. Такой диск сформируется позже, чем окружные первичные и окружные вторичные диски, с внутренним радиусом, намного большим, чем радиус орбиты двойной системы . Окружной диск может образоваться с верхним пределом массы приблизительно 0,005 массы Солнца, в этот момент двойная система, как правило, неспособна достаточно сильно возмущать диск, чтобы газ мог в дальнейшем аккрецироваться на окружных первичных и вторичных дисках. Пример кругового диска можно увидеть вокруг звездной системы GG Tauri .

После формирования околозвездного диска в околозвездном материале создаются спиральные волны плотности за счет дифференциального крутящего момента из-за гравитации двойной системы. Большинство этих дисков образуют осесимметричную двойную плоскость, но такие процессы, как эффект Бардина-Петтерсона, смещенное магнитное поле диполя и давление излучения, могут вызвать значительную деформацию или наклон первоначально плоского диска.

Веские доказательства наклонных дисков наблюдаются в системах Her X-1, SMC X-1 и SS 433 (среди прочих), где периодическая блокировка рентгеновского излучения в пределах прямой видимости наблюдается порядка 50– 200 дней; намного медленнее, чем двойная орбита системы ~ 1 день. Периодическая блокировка, как полагают, является результатом прецессии окружного первичного или окружного диска, которая обычно происходит ретроградно к бинарной орбите в результате того же самого дифференциального крутящего момента, который создает спиральные волны плотности в осесимметричном диске.

Доказательства наклона околозвездных дисков можно увидеть через искривленную геометрию внутри околозвездных дисков, прецессию протозвездных струй и наклонные орбиты околопланетных объектов (как видно в затменной двойной системе TY CrA). Для дисков, вращающихся вокруг двойной двойной системы с низким отношением масс вторичной к первичной, наклоненный круговой диск будет претерпевать жесткую прецессию с периодом порядка нескольких лет. Для дисков вокруг двоичной системы с отношением масс, равным единице, дифференциальные крутящие моменты будут достаточно сильными, чтобы разорвать внутреннюю часть диска на два или более отдельных прецессирующих диска.

Исследование, проведенное в 2020 году с использованием данных ALMA, показало, что окружные диски вокруг двоичных файлов с коротким периодом часто совпадают с орбитой двоичных файлов. Двоичные файлы с периодом более одного месяца обычно демонстрировали смещение диска с орбитой двоичного файла.

Пыли

Первичное облако газа и пыли, окружающее молодую звезду HD 163296 .
  • Диски обломков состоят из планетезималей, мелкой пыли и небольшого количества газа, образующегося при их столкновении и испарении. Исходный газ и мелкие частицы пыли были рассеяны или накоплены на планетах.
  • Зодиакальное облако или межпланетная пыль - это материал в Солнечной системе, созданный столкновениями астероидов и испарением кометы, которые наблюдатели на Земле видят как полосу рассеянного света вдоль эклиптики перед восходом или после захода солнца.
  • Экзозодиакальная пыль - это пыль вокруг звезды, отличной от Солнца, в месте, аналогичном месту зодиакального света в Солнечной системе.

Этапы

Протопланетный диск AS 209 .

Стадии в околозвездных дисках относятся к структуре и основному составу диска в разные периоды его эволюции. Этапы включают фазы, когда диск состоит в основном из частиц субмикронного размера, эволюция этих частиц в зерна и более крупные объекты, агломерация более крупных объектов в планетезимали , а также рост и орбитальная эволюция планетезималей в планетные системы, такие как наша Солнечная система или многие другие звезды.

Основные этапы эволюции околозвездных дисков:

  • Протопланетные диски : на этой стадии присутствуют большие количества первичного материала (например, газа и пыли), и диски достаточно массивны, чтобы иметь потенциал для формирования планет.
  • Переходные диски: на этом этапе диск демонстрирует значительное уменьшение присутствия газа и пыли и демонстрирует свойства протопланетного диска и диска обломков.
  • Диски обломков : на этой стадии околозвездный диск представляет собой тонкий пылевой диск, содержащий небольшие количества газа или даже его отсутствие. Он характеризуется тем, что время жизни пыли меньше, чем возраст диска, что указывает на то, что диск принадлежит ко второму поколению, а не к первобытному.

Диссипация и эволюция диска

V1247 Орион - молодая горячая звезда, окруженная динамичным кольцом из газа и пыли.

Диссипация материала - один из процессов, ответственных за эволюцию околозвездных дисков. Вместе с информацией о массе центральной звезды, наблюдение за диссипацией вещества на разных стадиях околозвездного диска может быть использовано для определения временных масштабов, участвующих в его эволюции. Например, наблюдения за процессом рассеяния в переходных дисках (дисках с большими внутренними отверстиями) оценивают средний возраст околозвездного диска примерно в 10 млн лет.

Процесс рассеивания и его продолжительность на каждой стадии изучены недостаточно. Для объяснения дисперсии в околозвездных дисках было предложено несколько механизмов с различными предсказаниями наблюдаемых свойств дисков. Были предложены такие механизмы, как уменьшение непрозрачности пыли из-за роста зерен, фотоиспарение материала рентгеновскими или УФ- фотонами от центральной звезды ( звездный ветер ) или динамическое влияние гигантской планеты, образующейся внутри диска. чтобы объяснить диссипацию.

Диссипация - это процесс, который непрерывно происходит в околозвездных дисках на протяжении всей жизни центральной звезды, и в то же время, на одной и той же стадии, это процесс, который присутствует в разных частях диска. Рассеивание можно разделить на рассеяние на внутреннем диске, рассеянии в середине диска и рассеяние на внешнем диске, в зависимости от рассматриваемой части диска.

Внутреннее рассеивание диска происходит во внутренней части диска (<0,05–0,1 а.е. ). Поскольку она находится ближе всего к звезде, эта область также самая горячая, поэтому присутствующий там материал обычно испускает излучение в ближней инфракрасной области электромагнитного спектра . Изучение излучения, испускаемого очень горячей пылью, присутствующей в этой части диска, показывает, что существует эмпирическая связь между аккрецией с диска на звезду и выбросами при истечении.

Рассеяние в средней части диска происходит в средней части диска (1-5 а.е. ) и характеризуется наличием гораздо более холодного материала, чем во внутренней части диска. Следовательно, излучение, испускаемое из этой области, имеет большую длину волны , действительно в средней инфракрасной области, что очень затрудняет обнаружение и прогнозирование временной шкалы рассеяния в этой области. Исследования, проведенные для определения шкалы времени рассеяния в этой области, предоставляют широкий диапазон значений, прогнозируя временные рамки от менее 10 до 100 млн лет.

Рассеяние внешнего диска происходит в областях от 50 до 100 а.е. , где температуры намного ниже, а длина волны испускаемого излучения увеличивается до миллиметровой области электромагнитного спектра . Сообщается, что средняя масса пыли для этой области составляет ~ 10 −5 масс Солнца. Исследования более старых дисков обломков (10 7 - 10 9 лет) предполагают, что массы пыли достигают 10 -8 солнечных масс, что подразумевает, что диффузия во внешних дисках происходит в очень долгом масштабе времени.

Как уже упоминалось, околозвездные диски не являются объектами равновесия, они постоянно развиваются. Эволюция поверхностной плотности диска, которая представляет собой количество массы на единицу площади, поэтому после того, как объемная плотность в конкретном месте в диске была интегрирована по вертикальной структуре, определяется как: где - радиальное положение в диск и - вязкость на месте . Это уравнение предполагает осесимметричную симметрию в диске, но совместимо с любой вертикальной структурой диска.

Вязкость в диске, будь то молекулярная, турбулентная или другая, переносит угловой момент наружу в диске и большую часть массы внутрь, в конечном итоге накапливая на центральный объект. Прирост массы на звезду выражается через вязкость диска : где - внутренний радиус.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки