Необычное открытие: ученые создали модель уникальной туманности Кошачий глаз и обнаружили нечто странное

Хотя планетарные туманности имеют общие характеристики, туманность Кошачий глаз является одним из самых сложных примеров, обнаруженных на сегодняшний день. В целом он имеет круглую форму, но в ее внутренней части преобладает ромбовидная структура, похожая на зрачок кошачьего глаза, заполненная узлами, раковинами и нитями.

Туманность — участок межзвездной среды, который выделяется либо своим излучением, либо поглощением излучения на общем фоне. Иногда под туманностями понимаются галактики, например, галактика Андромеда.

Это также одна из наиболее изученных туманностей на небе, но некоторые аспекты ее структуры все еще вызывают недоумение. Их нелегко объяснить в рамках существующей модели формирования планетарных туманностей, называемой моделью взаимодействующих звездных ветров.

Согласно этой модели, звезда раздувается до красного гиганта (как Бетельгейзе) и создает медленный звездный ветер, который выталкивает звездный материал в космос. Затем, в конце этой стадии жизни, звезда выбрасывает свой внешний материал в космос, а ядро, больше не поддерживаемое внешним давлением ядерного синтеза, коллапсирует под действием гравитации, образуя белый карлик.

Очень горячий белый карлик генерирует быстрый звездный ветер, который врезается в материал при более медленном ветре, сотрясая газ и создавая оболочки. Однако почти идеально симметричная биполярная форма туманности Кошачий глаз не соответствует этой модели.

Райан Клермонт, который планирует поступить в Стэнфордский университет, заручился помощью астрономов Вольфганга Штеффена из Национального автономного университета Мексики и Нико Конинга из Университета Калгари в Канаде и использовал программное обеспечение для астрофизического моделирования SHAPE, чтобы деконструировать то, что происходит внутри центральной области туманности Кошачий глаз.

Трехмерная модель, которую они построили, выявила кое-что интересное: спиралевидные кольца газа высокой плотности, частично обернутые вокруг внешней оболочки туманности, симметрично расположенные вокруг двух ее лепестков. Эта симметрия предполагает, что кольца являются результатом высокоскоростных струй, выброшенных из полюсов звезды в центре Кошачьего глаза. Поскольку звезда, породившая их, раскачивалась, как волчок — движение, называемое вращательной прецессией, — это привело к тому, что струи вышли в форме спирали.

Их незавершенность означает, что струи извергались лишь на короткое время, прежде чем были прерваны.

Единственный известный объект, который может создавать прецессирующий джет в планетарной туманности, — это двойная звезда. Звезда в центре Кошачьего глаза считается звездой типа Вольфа-Райе, еще не совсем белым карликом, но не за горами, все еще теряющей массу по мере сжигания последних запасов топлива. Такие звезды в сочетании с другой звездой могут создавать поистине впечатляющие туманности.

Предыдущие исследования предполагали, что в сердце туманности Кошачий глаз может скрываться двойной компаньон. Это открытие поддерживает данную интерпретацию. Будущие наблюдения и анализ смогут учесть эту модель, чтобы лучше интерпретировать странную динамику этого очаровательного призрака угасшей звезды.

Впервые туманность Кошачий глаз была обнаружена английским оптиком, астрономом и композитором Уильямом Гершелем в 1786 году. Позже планетарная туманность стала первой, наблюдаемой при помощи спектроскопа Уильяма Хаггинса в 1864 году. Его наблюдения показали, что спектр не является постоянным, а состоит из ряда ярких эмиссионных линий. Это означает, что туманности состоят из разреженного ионизированного воздуха.

Наблюдения за туманностью Кошачий глаз в дальнем инфракрасном диапазоне длин волн показало наличие звездной пыли при низких температурах. Есть мнение, что пыль образовалась на последних этапах жизни звезды-предшественника.

Инфракрасные наблюдения, к тому же, доказывают присутствие таких неионизированных материалов, как молекулярный водород и аргон. Дело в том, что обычно в планетарных туманностях молекулярное излучение сильно на большом расстоянии от звезды, но, в случае с Кошачьим глазом, излучение молекулярного водорода видится ярким даже на внутреннем краю ее внешнего гало.

Телескоп «Хаббл» сыграл немалую роль в изучении туманности Кошачий глаз. Изображение, полученное с его помощью, выполнено в ложном цвете, что позволяет изучить области с высокой и низкой ионизацией. Снимок позволил выявить две области из менее ионизированного материала на краю туманности.

Для расчета возраста планетарной туманности NGC 6543 было использовано угловое расширение. Так, если бы она расширялась со скоростью 10 миллисекунд в год, необходимо было бы от 740 до 1260 лет, чтобы достичь диаметра в 20 угловых секунд.

Так, этот возраст считается верхним пределом, поскольку выбрасываемый материал сталкивается с другим материалом, источаемым звездой на более ранних стадиях ее эволюции, и с межзвездной средой.

А вот пиковидные внешние части Кошачьего глаза имеют чуть больший возраст – около 1600 лет, так как образовались от вещества, которое выбрасывала звезда еще до образования туманности.

В основном туманность Кошачий глаз, как и многие другие объекты вселенной, состоит из водорода и гелия. Согласно исследованиям, более тяжелые элементы здесь присутствуют в небольших количествах. Спектроскопические исследования могут позволить точнее определить химический состав.

Однако разные исследования могут показывать разное количество элементов. Часто это происходит потому, что спектрографы не собирают весь свет от объектов, а могут собирать свет из незначительной щели. Поэтому при исследованиях отбираются образцы разных частей туманности.

Содержание веществ обычно выражается относительно водорода, так как он является самым распространенным элементом. Содержание гелия по отношению к водороду в туманности Кошачий глаз составляет 0,12. Углерод и азот по такому же принципу занимают 0,0003 туманности, а кислород — 0,0007.

Такое содержание вполне нормально для планетарных туманностей, но содержание кислорода, углерода и азота, все же, превышают значения, характерные для Солнца. Происходит это из-за эффектов нуклеосинтеза, который обогащает звезду тяжелыми элементами перед выбросом в виде туманности.

Согласно исследованиям, в 2001 году Рентгеновская обсерватория Чандра провела свои исследования. Наблюдения показали наличие невероятно горячего газа внутри туманности Кошачий глаз. Температура его — около 1,7 миллионов градусов по Цельсию! На данный момент существует версия, что образуется газ из-за взаимодействия быстрого звездного ветра с ранее выброшенным веществом. Рентгеновские наблюдения также выявили точечный источник в положении центральной звезды.

Обсерватория Чандра продолжила исследования и в 2012 году, после чего был сделан вывод, что все точечные источники рентгеновского излучения демонстрируют более жесткие спектры, чем ожидалось.

Все еще остается большое количество вопросов касательно туманности Кошачий глаз, находящихся без ответов. Так, например, концентрические кольца, которые окружают туманность, были выброшены с перерывом в несколько сотен лет, а это очень сложно объяснить.

Считается, что тепловые пульсации, которые играют большую роль в формировании планетарных туманностей, происходят с интервалом в несколько десятков тысяч лет. Мелкие поверхностные пульсации случаются раз в несколько десятков лет. Поэтому механизм, который ответственен за конкретный упомянутый период все еще не изучен.

Спектры планетарных туманностей состоят из линий испускания — узкого участка энергетического спектра. Образуются они либо при столкновении ионов туманности, либо из-за взаимодействия электронов с ионами. Известно, что линии испускания, образованные с помощью первого механизма, выражены намного отчетливее.

Но исследования NGC 6543 показывают, что линии, возникшие в результате взаимодействия электронов и ионов, в несколько раз выше, чем те, что были вычислены по линиям столкновения. Причины такого поведения линий испускания до сих пор не ясны.