NGC 7293 "Улитка" или как распадается «Глаз Бога»

Рисунок 1. Изображение туманности Улитка в линии Hα, полученное MOTHRA.

Изображение MOTHRA в линии Hα с вычтенным континуумом показано в инвертированной шкале серого, чтобы подчеркнуть слабые внешние структуры. В яркой центральной области поверх данных MOTHRA наложено комбинированное изображение, полученное космическим телескопом «Хаббл» (HST) и 4-метровым телескопом обсерватории Китт-Пик.¹¹ Изображение HST было построено по данным камеры Advanced Camera for Surveys, полученным с фильтрами F502N ([O III]) и F658N (Hα).

Стрелкой показано определённое по данным Gaia направление движения центрального белого карлика относительно окружающего газа.

На изображении MOTHRA видны многочисленные структуры на больших расстояниях (≳1 пк) от белого карлика, которые ранее в линии Hα не обнаруживались. Наиболее заметны многочисленные головные ударные волны в восточной части туманности. Они возникают там, где вещество, выброшенное звездой на стадии асимптотической ветви гигантов (AGB), сталкивается с окружающей межзвёздной средой при сверхзвуковых относительных скоростях.

Цветное изображение, полученное телескопами «Хаббл» и Китт-Пик, воспроизводится с разрешения NASA, ESA, C. R. O’Dell (Университет Вандербильта), M. Meixner, P. McCullough и G. Bacon (Научный институт космического телескопа).

Credit: Pieter van Dokkum et al.

Туманность Helix (NGC 7293) ("Улитка") — пожалуй, самая популярная планетарная туманность на небе: гигантский полупрозрачный «глаз» из выброшенного умиравшей звездой вещества, ближайшая и одна из ярчайших планетарных туманностей, которую фотографировали, кажется, все крупные телескопы мира, от «Хаббла» до наземных обсерваторий. Казалось бы, что нового там вообще можно найти? И тем не менее новый инструмент — ещё даже не достроенный — разглядел на её окраине то, чего не видел никто: не один плавный ударный фронт, а целый лес из 22 отдельных крошечных ударных дуг, будто туманность на глазах рассыпается на осколки.

Инструмент называется MOTHRA (Modular Optical Telephoto Hyperspectral Robotic Array) — по сути, наследник знаменитого Dragonfly, тоже собранный не из зеркал, а из десятков и сотен обычных длиннофокусных фотообъективов Canon, каждый со своим узкополосным фильтром, наведённых на одну и ту же точку неба. В финальном виде MOTHRA будет насчитывать 1140 объективов; наблюдения Улитки проводились, когда работали лишь первые пять креплений из тридцати — то есть меньше десятой части задуманной мощности. Даже в таком «недостроенном» виде массив набрал достаточно света в линии Hα, чтобы разглядеть детали на пределе поверхностной яркости, которые полностью ускользали от всех прежних снимков туманности.

Главная находка — не общая форма туманности, а её край: на восточной стороне, там, где Улитка во время своего орбитального движения сквозь Галактику буквально врезается в межзвёздный газ, авторы насчитали 22 отдельных дугообразных ударных волны. Это не привычная картина одной большой «лобовой» ударной волны, огибающей всю туманность целиком (как, например, у знаменитой звезды Мира Кита) — это множество компактных, самостоятельных дуг, каждая из которых обёрнута вокруг собственного, отдельного сгустка вещества. И что особенно интересно: ни в одной точке, где, судя по геометрии дуги, должен находиться сам «виновник» — плотный обломок, порождающий ударную волну, — нет никакого видимого источника света ни в одной из измеренных линий. Это тёмное, не светящееся вещество, которое выдаёт себя только чужим следом — ударной волной, которую оно возбуждает в окружающем газе, а не собственным свечением.

Дальше — самое красивое. Авторы измерили, как меняется характерный размер (радиус кривизны) этих дуг с расстоянием от центральной звезды — и обнаружили чёткую закономерность: чем дальше от звезды, тем дуги мельче, причём падение крутое, в сто раз на дистанции всего в один парсек. Рядом со звездой дуги крупные и хорошо очерченные, как будто нарисованные по линейке; на периферии они превращаются в мелкие, рыхлые, размытые пятна. Это не просто красивая картинка — это самый настоящий геологический разрез процесса разрушения: чем дальше фрагмент оболочки улетел от звезды (а значит, чем дольше он путешествует и чем дольше подвергается «обдирающему» действию набегающего потока), тем сильнее он уже раздроблен и «съеден».

Переведя это пространственное распределение во временну́ю шкалу (зная скорость, с которой вещество расширяется, легко посчитать, сколько лет потребовалось, чтобы долететь до того или иного радиуса), авторы получили что-то вроде часов, отсчитывающих распад: типичный плотный фрагмент оболочки живёт как узнаваемая, компактная структура около 10 тысяч лет, а затем «расплывается», перестаёт держать форму и растворяется в окружающем межзвёздном газе. Это удивительно короткий срок по астрономическим меркам — и, что важнее, это первая прямая, эмпирическая оценка именно этого процесса, а не теоретическая догадка. До сих пор компьютерные модели эволюции галактик были вынуждены попросту предполагать некий темп «перемешивания» выброшенного звёздами вещества с межзвёздной средой, потому что подсмотреть это напрямую было решительно не на чем.

Почему всё это заметно только на востоке, а не по всей туманности сразу? Дело в направлении движения: Улитка летит сквозь местную межзвёздную среду примерно в восточном направлении, «носом вперёд» — так что именно передняя, восточная сторона врезается в свежий, ещё не потревоженный газ на полной относительной скорости (около 80–90 км/с, если верить моделям ударных волн, подогнанным под наблюдаемые отношения линий). Западная же сторона движется, наоборот, «в кильватере» — сквозь газ, который уже был растревожен и увлечён самой туманностью раньше, поэтому относительная скорость столкновения там намного ниже (порядка 35 км/с), удары мягче, а свечение — на один-два порядка тусклее. Именно поэтому слабые, едва различимые дуги нашлись и на западе тоже, но выглядят они куда бледнее восточных собратьев.

Возраст самих фрагментов, кстати, оказался старше самой планетарной туманности: 20–30 тысяч лет против примерно 12 тысяч лет с момента, когда Helix вообще стала планетарной туманностью. То есть эти обломки — не свежий выброс последних тысячелетий, а более раннее наследие звезды, ещё когда та находилась на асимптотической ветви гигантов (AGB) и сбрасывала вещество медленными, но неравномерными, местами быстрыми и, судя по всему, не сферически-симметричными, а скорее биполярными потоками.

За скромной картинкой из пикселей и подогнанных парабол стоит на самом деле большой вопрос астрофизики: как именно вещество, которое звёзды выбрасывают перед смертью — обогащённое углеродом, азотом и другими продуктами ядерного синтеза, — доходит до состояния «обычного» межзвёздного газа, из которого потом рождаются новые звёзды. Раньше эту стадию попросту нельзя было увидеть: она либо слишком тусклая, либо слишком рассеянная, либо происходит на масштабах, недоступных обычным телескопам. Здесь же — благодаря тому, что фрагменты порождают яркие, компактные, легко измеримые ударные волны — процесс наконец-то удалось поймать за руку, шаг за шагом, дугу за дугой.

MOTHRA всё ещё построена лишь на малую часть — работало пять креплений из тридцати задуманных. Авторы прямо пишут: когда массив заработает на полную мощность, у него будет более чем достаточно чувствительности, чтобы отыскать похожие ударные волны в окрестностях других, более далёких планетарных туманностей — и тогда можно будет проверить, действительно ли скорость распада фрагментов всегда одна и та же, или же она зависит от скорости самих ударных волн. Забавная деталь: телескоп, ставший возможным исключительно благодаря финансированию Алекса Герко, основателя и главы трейдинговой компании XTX Markets, — то есть очередное напоминание, что современная астрономия всё чаще держится не только на государственных грантах, но и на частном энтузиазме отдельных людей.

---

Рисунок 3. Аппроксимация головных ударных волн параболическими профилями.

Слева: На изображении в линии Hα выделены двадцать две полные и частичные головные ударные волны. Их форма аппроксимирована параболами, показанными красными линиями (см. раздел «Методы»). Красными точками отмечены фокусы парабол; они соответствуют предполагаемому примерному положению объектов, создающих эти ударные волны.

Отсутствие излучения Hα вблизи фокусов указывает на то, что объекты, создающие головные ударные волны, в основном состоят из нейтрального вещества.

Ударные волны пронумерованы в соответствии с расстоянием от их вершин до центральной звезды. Также отмечены две ранее известные структуры — NE Object и NE Arc.

Credit: Pieter van Dokkum et al.

✊

----

ДОМАШНЕЕ ЧТЕНИЕ

Ударные волны в туманности Улитка

На заключительных этапах жизни звёзды малой и промежуточной массы выбрасывают обогащённое тяжёлыми элементами вещество в виде звёздного ветра и других истечений, в конечном итоге образуя планетарные туманности.¹˒² Предполагается, что выброшенное вещество затем фрагментируется и смешивается с межзвёздной средой (ISM), однако непосредственно наблюдать этот заключительный этап смешивания до сих пор было сложно.

В этой работе мы сообщаем о свидетельствах такого процесса: в восточной внешней области туманности Улитка обнаружены двадцать две головные ударные волны, наблюдаемые в излучении Hα с помощью ещё не полностью построенного телескопа MOTHRA. В отличие от крупномасштабных головных ударных волн, возникающих при взаимодействии звёздного ветра с межзвёздной средой и обычно наблюдаемых вокруг проэволюционировавших звёзд, эти ударные волны компактны и связаны с отдельными сгустками газа.

По мере удаления от центральной звезды радиус кривизны Rc уменьшается примерно в 100 раз в диапазоне расстояний r = 0,4–1,4 пк. Одновременно меняется и морфология структур: тонкие, чётко очерченные головные ударные волны постепенно превращаются в размытые, неоднородные образования.

Мы интерпретируем эти изменения как результат постепенного разрушения и фрагментации остатков оболочки, выброшенной звездой на стадии асимптотической ветви гигантов (AGB), при её взаимодействии с межзвёздной средой.

Наклон наблюдаемой зависимости Rc–r указывает на то, что отдельные фрагменты теряют свою целостность за время около 10⁴ лет. Это даёт редкую возможность непосредственно оценить характерный временной масштаб разрушения и последующего вовлечения фрагментированных звёздных выбросов в межзвёздную среду.

 

ALADIN LAYER STANDBY INTEGRATION PENDING

TARGET LOCK

NGC 7293

QUERYING SIMBAD…

VIZIER CATALOG MODULE STANDBY

ADS PAPERS MODULE STANDBY