Если вам случалось оказаться в темноте какой-нибудь глубокой пещеры или каменного колодца, в который проникает лишь тонкий луч света, вы наверняка могли заметить в этом луче танец ярких крохотных точек. Эти точки – микроскопические пылинки, которые носятся с мельчайшими завихрениями чистого воздуха. Хотя свет на пылинки падает сзади и отражать в вашу сторону им нечего, точечки кажутся светлыми и довольно яркими.
Вперед рассеянный
Строго говоря, это явление и не является отражением света. Физики называют его рассеянием, а описывает его теория, начало которой 100 лет назад положил немецкий физик Гюстав Ми. Именно он решил уравнения Максвелла, описывающие распространение света в присутствии непроводящих сферических тел, и показал, что максимум рассеяния лежит в направлении распространения света, а не наоборот, как могло бы показаться.
Назад свет хорошо отражают тела, которые проводят ток (например, слой металла на поверхности зеркала). А вот непроводящие частицы больше всего света рассеивают «вперед». Просто ширина конуса такого рассеяния быстро падает с увеличением размера частичек. Увидеть его от шариков размером в миллиметр трудно: надо смотреть на них точно сзади, а там слепят прямые лучи. А вот для пылинок размером в несколько микрон вы легко видите этот рассеянный свет, даже глядя под заметным углом к исходному лучу.
«Ложная заря» Солнечной системы
явление
Рассеяние Рэлея
Голубой цвет дневному небу придает так называемое рэлеевское рассеяние солнечного света в земной атмосфере. Теория Рэлея описывает упругое изотропное рассеяние электромагнитных волн объектами, которые намного меньше длины волны света. Сечение этого процесса быстро растет с частотой излучения, поэтому рассеяния голубых лучей почти на порядок более интенсивно, чем рассеяние красных. Эти рассеянные лучи мы и видим как голубое небо.
Впрочем, большинство пылинок в земной атмосфере – крупные, а свет от мелких теряется на фоне яркого голубого неба (потому и приходится лезть в колодец, чтобы его увидеть). А вот в межпланетном пространстве преобладает как раз мелкая пыль, и рассеянный ею свет люди наблюдают уже не одно столетие. Это свечение известно мусульманам как «ложная заря», которая не обязывает к воздержанию даже во время поста. А астрономы называют его зодиакальным светом.
Когда солнце заходит глубоко за горизонт и небо становится черным, на западе иногда можно заметить слабый конус света, вытянутый вдоль эклиптики – плоскости, в которой лежат орбиты Земли и других планет. То же самое можно увидеть и перед восходом (лучше это делать в тропиках, где эклиптика поднимается выше над горизонтом). Это свечение и есть зодиакальный свет – свет, рассеянный мелкими межпланетными пылинками.
По яркости зодиакального света теория Ми позволяет восстановить размер частичек, и большинство из них оказывается микронного размера; именно благодаря этому мы видим зодиакальный свет внутри орбиты Земли, но не замечаем его рядом с внешними планетами.
Ученые полагают, что эту пыль составляют частички кометных хвостов, крохотные осколки астероидов и даже остатки самых-самых первородных пылинок. 4,5 миллиарда лет назад из газопылевого диска, который крутился в той же плоскости, формировались крупные планеты и астероиды; может, что-нибудь и осталось.
Свет кольца привел к планете
В наши дни астрономам известны тысячи подобных дисков, кружащихся вокруг далеких звезд, и многие из них рано или поздно дадут начало новым планетным системам. Один такой протопланетный диск обращается вокруг яркой звезды Фомальгаут, или α (альфа) Южной Рыбы. Диск вокруг Фомальгаута был обнаружен еще в прошлом веке, а несколько лет назад астрономы разглядели в нем что-то вроде «дырки» диаметром 2 миллиарда километров, внутри которой свечение пыли резко падает. Увидев такое поведение, астрономы предположили, что дырку проделала планета, и начали ее искать вблизи внутреннего края диска Фомальгаута.
шкала
Астрономическая единица (а.е.)
внесистемная единица измерения длины, принятая в астрономии. Равна среднему расстоянию от Земли до Солнца и составляет примерно 149,6 млн км.
Ученые не прогадали – планета массой порядка массы Юпитера на расстоянии 1,8 миллиарда км (115 а.е.) от звезды была обнаружена. В ноябре 2008 года это небесное тело, Фомальгаут b, стало первой внесолнечной планетой, которую удалось напрямую увидеть в телескоп. Эта историческая фотография Космического телескопа имени Хаббла иллюстрирует данную заметку. Правда, самого Фомальгаута на ней нет, на фото он закрыт специальной маской: в противном случае яркая звезда засветила бы весь фотоприемник, и ни диска, ни планеты мы бы не увидели.
Открывшие Фомальгаут b астрономы под руководством Пола Каласа даже разглядели смещение планеты от года к году за счет вращения вокруг звезды, после чего все вопросы о физической связи Фомальгаута и Фомальгаута b отпали.
Диск опрокинулся
Однако «ложная заря» Фомальгаута – не просто указатель, который помог найти планету. Не прошло и года, как выяснилось, что у зодиакального света от этой планеты есть свои собственные загадки.
Внутренний край пылевого диска обладает заметной асимметрией – северная его часть (на иллюстрации вверху) ярче южной. Долгое время астрономы полагали, что причина тому та же, по которой зодиакальный свет внутри земной орбиты ярче, чем снаружи, – преимущественное рассеяние вперед. Отсюда легко понять ориентацию диска относительно картинной плоскости: верхняя, более яркая часть – это обращенная к нам сторона диска, которая находится чуть ближе звезды. Нижняя, менее яркая – дальняя сторона, на фоне которой мы видим звезду.
Так все и думали, пока весной прошлого года ученые под руководством Жан-Батиста Ле Букена из Южной европейской обсерватории не выяснили, что дело обстоит ровно наоборот. С помощью интерферометра VLTI ученые выяснили, что более яркой является как раз дальняя сторона. То есть пылинки, составляющие этот диск, сильнее отражают свет назад, чем рассеивают его вперед.
«Микроастероиды»
Теперь астрономам под руководством Михила Мина из голландского Университета Утрехта удалось разрешить этот парадокс. Согласно их расчетам, свет Фомальгаута в диске вокруг одноименной звезды отражают крупные частицы. С точки зрения теории протопланетных дисков, это уже совсем не пыль, это, как называют их авторы, «микроастероиды».
Ученые смоделировали поведение поверхностной яркости диска вдоль его границы и пришли к выводу, что составляющие его частицы скорее отражают свет, чем рассеивают его. На самом деле даже модель идеально гладких шариков от подшипника вполне описывает реальный диск вполне адекватно! Уж по крайней мере гораздо лучше, чем модель микронных пылинок – вроде тех, что порождают зодиакальный свет в Солнечной системе.
Но полагать, что кто-то усеял систему Фомальгаута кучей шариков от подшипника, конечно, причин нет. Просто частицы в этом диске гораздо крупнее. И если потребовать точного сходства модели и наблюдений, можно даже оценить размер большинства пылинок. У Мина и его коллег получилось что-то порядка 100 микрон. И эти частицы, как крохотные луны, меняют фазу, в зависимости от угла между направлением на нас и на звезду.
«Через 400 лет после того, как Галилей увидел серпик Венеры (меняющей фазы при движении вокруг Солнца. – Infox.ru), мы видим крохотные серпики крупных пылевых зерен в диске, кружащемся вокруг далекого Фомальгаута», – восхищаются Мин и его коллеги. Статья ученых принята к публикации в Astronomy & Astrophysics.
Сбой и катастрофа
Возможно, называть частицы размером в 0,1 мм «микроастероидами» – преувеличение, которое остается на совести авторов работы. Тем не менее понять их возбуждение можно.
По существующим теориям образования планет, они собираются последовательным, иерархическим слипанием исходных субмикронных частиц во все более и более крупные агрегаты – мелкие пылинки, крупные песчинки, булыжники, утесы, астероиды, протопланеты, планеты. И стадию 100−микронных пылинок этот процесс должен проскакивать очень быстро, и шансов заметить его совсем немного. Так что либо нам очень повезло, либо мы не очень хорошо представляем себе механизм образования планет из протопланетных дисков.
Впрочем, не исключено, что эти пылинки и не имеют прямого отношения к конденсации первородного вещества. Крупная пыль может появляться еще в одном случае – при катастрофических столкновениях планет и астероидов. Возможно, в недавнем прошлом что-то подобное случилось и в системе Фомальгаута.
