«По сути, мы создали виртуальную Beta Pictoris на компьютере и наблюдали, как она эволюционировала в течение миллионов лет», — сказала Эрика Несволд, астрофизик из Университета Мэриленда в округе Балтимор, соавтор которой разработал симуляцию. «Это первая полная трехмерная модель диска обломков, в которой мы можем наблюдать развитие асимметричных деталей, образованных планетами, таких как деформации и эксцентрические кольца, а также одновременно отслеживать столкновения между частицами».В 1984 году Бета Живописца стала второй звездой, окруженной ярким диском из пыли и обломков. Бета-Живописца, расположенная всего в 63 световых годах от нас, имеет возраст примерно 21 миллион лет, что составляет менее 1 процента возраста нашей Солнечной системы.
Он предлагает астрономам место в первом ряду для эволюции молодой планетной системы и остается одним из самых близких, самых молодых и наиболее изученных примеров на сегодняшний день. Диск, который мы видим ребром, содержит фрагменты камня и льда, размер которых варьируется от объектов размером больше дома до зерен размером с частицы дыма. Это более молодая версия пояса Койпера на окраине нашей собственной планетной системы.
Несволд и ее коллега Марк Кучнер, астрофизик из Центра космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд, представили результаты в четверг во время конференции «In the Spirit of Lyot 2015» в Монреале, на которой основное внимание уделяется прямому обнаружению планет и дисков вокруг них. далекие звезды. Статья с описанием исследования была отправлена ??в The Astrophysical Journal.В 2009 году астрономы подтвердили существование Beta Pictoris b, планеты с предполагаемой массой примерно в девять раз превышающей массу Юпитера, в диске обломков вокруг Beta Pictoris. Путешествуя по наклонной и слегка вытянутой 20-летней орбите, планета находится примерно так же далеко от своей звезды, как Сатурн от нашего Солнца.
Астрономы изо всех сил пытались объяснить различные особенности, наблюдаемые в диске, в том числе искажение, видимое на субмиллиметровых длинах волн, X-образный узор, видимый в рассеянном свете, и огромные скопления газообразного оксида углерода. Молекулы окиси углерода, являющиеся обычным компонентом комет, разрушаются ультрафиолетовым светом звезд за несколько сотен лет. Чтобы объяснить, почему газ сгущается, предыдущие исследователи предположили, что эти сгустки могут быть свидетельством того, что ледяные обломки загнаны в угол второй, пока еще невидимой планетой, что привело к необычно большому количеству столкновений, которые производят окись углерода.
Или, возможно, газ был результатом необычайного крушения ледяных миров размером с Марс.«Наше моделирование предполагает, что многие из этих особенностей могут быть легко объяснены парой встречных спиральных волн, возбуждаемых в диске движением и гравитацией Beta Pictoris b», — сказал Кучнер. «Подобно тому, как кто-то запускает пушечное ядро ??в бассейне, планета привела к огромным изменениям в диске обломков, когда он достиг своей нынешней орбиты».
Отслеживание тысяч фрагментирующих частиц за миллионы лет — сложная с вычислительной точки зрения задача. Существующие модели либо не были стабильными в течение достаточно долгого времени, либо содержали приближения, которые могли замаскировать часть структуры, которую искали Несволд и Кучнер.Работая с Маргарет Пэн и Ханно Рейн, которые сейчас работают в Университете Торонто, они разработали метод, в котором каждая частица в моделировании представляет собой кластер тел с разными размерами и похожими движениями. Отслеживая, как эти «суперчастицы» взаимодействуют, они могли увидеть, как столкновения между триллионами фрагментов производят пыль и, в сочетании с другими силами в диске, формируют ее в формы, видимые в телескопы.
Этот метод, называемый алгоритмом метода суперчастиц для столкновений в поясах Койпера (SMACK), также значительно сокращает время, необходимое для выполнения таких сложных вычислений.Используя суперкомпьютер Discover, управляемый Центром климатического моделирования НАСА в Годдарде, управляемая SMACK модель Beta Pictoris работала в течение 11 дней и отслеживала эволюцию 100 000 суперчастиц за время жизни диска.Когда планета движется по наклонной траектории, она проходит вертикально через диск дважды за каждый оборот. Его гравитация возбуждает в диске вертикальную спиральную волну.
Обломки концентрируются в гребнях и впадинах волн и чаще всего сталкиваются там, что объясняет Х-образный узор, наблюдаемый в пыли, и может помочь объяснить скопления окиси углерода.Орбита планеты также немного эксцентрична, что означает, что ее расстояние от звезды немного меняется на каждой орбите. Это движение приводит в движение обломки и запускает вторую спиральную волну по поверхности диска. Эта волна увеличивает столкновения во внутренних областях диска, который удаляет более крупные фрагменты, измельчая их.
В реальном диске астрономы сообщают о подобной расчистке крупных обломков вблизи звезды.«Один из насущных вопросов о Beta Pictoris заключается в том, как планета оказалась на такой странной орбите», — пояснил Несволд. «Наше моделирование предполагает, что он прибыл туда около 10 миллионов лет назад, возможно, после взаимодействия с другими планетами, вращающимися вокруг звезды, которую мы еще не обнаружили».Видео: https://www.youtube.com/watch?v=SSioxuHa2dg