Неожиданные открытия во внешних пределах Солнечной Системы - часть 2

Новый субмиллиметровый источник в окрестностях нескольких угловых секунд от α Центавра

R. Liseau, W. Vlemmings, E. O’Gorman, E. Bertone, M. Chavez, and V. De la Luz

10 декабря 2015 года

Абстракт

Контекст. Понимание формирования звездных и планетных систем требует понимания структуры и динамики их внешних областей, где, как считается, не должны формироваться большие тела.

Цели. Периодические поиски объектов размером с Седну позволяет наблюдение областей, которые обычно не исследуются.

Методы. Атакамский Большой Миллиметровый/Субмиллиметровый Массив особенно чувствителен к точечным источникам, представляя собой единственный на текущий момент инструмент, который позволяет обнаруживать объекты наподобие Седны значительно дальше от перигелия.

Результаты. Наблюдения АЛМА, разделенные 10 месяцами времени, открыли новый точечный источник с излучением черного тела, который, очевидно, движется вместе с α Cen AB

Заключения. Мы исключаем, что это может быть звездный объект системы α Cen AB, однако, приводим аргументы в пользу того, что это или очень удаленный ТНО, сверхземля или же очень холодный коричневый карлик во внешних пределах Солнечной Системы.

Ключевые слова:Звезды: отдельные αCenAB– Звезды:коричневые карлики–Субмиллиметровый диапазон:звезды–Планетные системы :Пояс Куйпера,общее– Планетные системы: Облако Оорта

1. Введение

Одна из самых интересных развивающихся областей науки - поиск планет у других звезд. С целью открытия планет напрямую, имеет смысл обратиться к близким к нам звездам. αCen - ближайшая к нам звезда на расстоянии 1.34 пк, которую давно считают тройной. αCen С, Проксима Центавра, отстоит на два градуса от двойной αCenАВ, и ее участие в этой системе было установлено на основе их взаимного движения еще в начале XX века (Innes 1917). Интенсивный поиск компаньонов как Проксимы, так и пары αCenАВ продолжался довольно долго, и увенчался открытием планеты земного типа у αCenВ (Dumusque et al. 2012). Однако существование αCenВb или любого другого возможного компаньона все еще требует проверки (Hatzes 2013; Demory et al. 2015; Rajpaul et al. 2016).

Глубокие наблюдения с Земли (VLT-NACO) в 2004 и 2005 годах, в сочетании с коронаграфией из космоса (HST-ACS) не выявили в пределах 5~7"(7-9 а.е.) от αCenВ никаких связанных с ней источников ярче Ks~18 (Kervella et al. 2006). Неправильная и неполная карта покрывает участок ~45"x35". Вследствие интенсивной яркости двойной на этих длинах волн, невозможно было подойти к звездам ближе, чем на 5", поэтому любой потенциальный объект мог бы укрыться в этой области. Самый яркий объект в этой выборке был Ks=12, а предельная звездная величина: 22 вплоть до радиуса 20" В дополнение к этому, более ранние снимки покрыли области в пределах 8" и там не было обнаружено никаких связанных с двойной источников со скоростью V<5 .5="" 2007="" br="" ervella="" the="" venin="">

10 лет спустя инфракрасное исследование области αCen переместилось на половину угловой минуты к западу, поэтому оно не перекрывается с нашими наблюдениями на АЛМА, выполненными в 2014 и 2015 году, которое выявило источник с правильной и высокой скоростью, что может быть участником системы αCen (рис.1). Проекция расстояния дает диапазон примерно между орбитами Юпитера и Сатурна. В этой статье мы обсуждаем природу этого объекта

 2. Обработка данных
(прим. перев. выпустим этот небольшой абзац с информацией, интересной только специалистам)

3. Результаты
Координаты αCen А и В для эпохи 2000 представлены в таблице 2 вместе с координатами неопознанного объекта, который уверенно виден в двух случаях (мы опускаем различные инструментальные эффекты, которые описаны в другой статье). 

В таблице 1 приведены частоты полос, где также отмечены плотности коррекции мощности главного пучка вместе с их статистическими ошибками.

4. Обсуждение
4.1. Новый участник системы αCen - αCen D?

В эпохи наблюдений на полосах 7 и 8 был обнаружен совместно движущийся с системой объект в пределах 5.5" от пары. Если он соразмерен по орбитальному периоду (или соответствует медленному движению в определенные периоды времени), тогда αCen D нельзя было бы найти на данных VLT-NACO потому, что вследствие интенсивного сияния αCenАВ  эта область была намеренно загорожена. На рис. 2 показана траектория движения на небе всех трех компонентов, вместе с предсказанными положениями для αCen D с учетом предположения, что αCen D находится на том же расстоянии, что и два других компонента (Таблица 3)

Рис.1. Слева: наблюдения системы 7 июля 2014 года в полосе 7. Отдельно от хорошо известной пары αCen А и αCen В находится ранее неизвестный источник, обозначенный как U на северо-северо-восток от В. Справа: здесь объект виден еще лучше в наблюдениях на полосе 8 2 мая 2015 года, в 5.5" к северу от компонента А.

Рис. 2. Область неба 1'x1' с траекториями αCen А (синим), αCen В (красным) и их центра масс (зеленым). Эти траектории включают орбитальное движение (на основе элементов, вычисленных Pourbaix et al. 2002), собственного движения (van Leeuwen 2007) и годичного параллакса (http://naif.jpl.nasa.gov/naif/toolkit.html). Черным показана траектория αCen D в предположении, что она не связана гравитационно, но обладает тем же параллаксом (π = 0′·′742, Table 3). Смоделированные вектора собственного движения μα = −1650 mas yr−1 и μδ = +1090 mas yr−1 . Вдоль траекторий точками отмечены годы с 2000. Наблюдаемые с ALMA положения (FK 5) в 2014 и 2015 отмечены кружками, которые значительно больше, чем неопределенности в определении положений.

Наблюдения всего в две эпохи делают невозможным более точный анализ, поэтому к "предсказанной" траектории следует относиться с осторожностью. Для определения природы этого источника требуются дальнейшие наблюдения.

Таблица 3. Скорости и параллаксы в системе αCen

Рис.3 Субмиллиметровый/миллиметровый SED неизвестного источника около αCen. Наклон линии 21±0.4. 

Рис.4 Положение звезд Главной Последовательности на диаграмме эффективной температуры для S 445 GHz = 3.64 mJy с радиусами, выраженными в радиусах Солнца (на верхней шкале) , с указанными спектральными классами. αCen D на расстоянии αCen будет соответствовать звезде Главной Последовательности М2 (штриховая вертикальная линия). Коричневые карлики слева от нее с RJup ∼ 0.1 R⊙ находятся на разных дистанциях. Левее и ниже - два очень холодных источника для типов Т 8.5 и Y 2 соответственно (Leggett et al. 2015)  с радиусами, предположительно, RJup.

На рис.4 представлена диаграмма температура - расстояние, для полосы 8, включающая положения (D, Teff) звезд Главной Последовательности поздних спектральных типов. Для примера, Проксима Центавра имеет визуальную яркость в 11m и спектральный тип М6, но ее нет на диаграммев районе вертикальной штрих-пунктирной линии, вместо этого она находится как М6 на 0.4 пк. Очевидно, это неверный результат вследствие того, что мы поддерживали световой поток на одном уровне, а температура и радиус звезды М6 слишком малы для того, чтобы давать эти значения на расстоянии 1.34 пк

Вместо этого на расстоянии  αCen, измеренное значение для αCen D должно было соответствовать М2, где мы использовали калибровки Bessell (1991), Rajpurohit et al. (2013) и Cox (2000), согласно которым звезда должна быть ярче 6m, и должна была попасть в каталог ярких звезд, в котором ее нет. На основе этого очевидного факта, конечно, нельзя исключить, что объект находится значительно дальше. Однако, большое собственное движение, скорее всего, ограничивает расстояние до объекта 5 пк как для, например, звезды раннего класса G ~4пк (рис.4). И в этом случае высокая светимость ~3m совершенно исключает наличие звездного источника. Совершенно невероятно, что звезда такой яркости и такого собственного движения оставалась бы незамеченной.

С другой стороны, у компактных объектов, не звезд, радиусы значительно меньше.  Рис. 4 показывает довольно экзотичный коричневый карлик малой температуры  (ULAS J003402.77 − 005206.7, T 8.5, Leggett et al. 2015), в предположении, что у него типичный радиус Юпитера (Oppenheimer et al. 2000) и температура 575 К. Есть и еще более холодный карлик с температурой 250К WISE J085510.83−071442.5 (Y 2, Leggett et al. 2015). На роль объекта мог бы претендовать исключительно холодный карлик на расстоянии примерно 20 000 а.е., однако его должен был тогда обнаружить телескоп WISE, если позволило бы его относительно небольшое разрешение (6.0")

Очевидным вопросом является - как тогда этот объект мог ускользнуть?  Находится ли он всегда так близко к двойной? Слишком холодный? Такой случай вполне можно допустить для  температур менее сотен К

Рис. 5. Световой поток на полосе 8 в зависимости от расстояний от Солнца и диаметров, до 6000 км (чуть менее диаметра Марса), указанных сверху. Этот рисунок аналогичен рис.4, только оба параметра - температура и радиус не определимы априори. Несколько известных ТНО показаны красными точками (www.minorplanetcenter.org/iau/lists/Sizes.html). В скобках указаны видимые диаметры в угловых миллисекундах и оцениваемая температура черного тела. Ширина пучка АЛМА (120 угловых миллисекунд) указана в правом верхнем углу, показывая, что все эти объекты видны ему как точечные. Наблюдаемая плотность светового потока на полосе 8 указана горизонтальной синей линией. Расстояние до объекта U еще предстоит определить.

4.2. Новый объект Солнечной Системы: ДТНО?

Эклиптическая широта αCen -42 градуса. то есть объект U находится слишком далеко от плоскости эклиптики. Но в проекции они хорошо вписываются в плоскость Галактики. Описать объект U как объект фона вряд ли получится, с быстрым собственным движением αCen. С другой стороны, если это просто пролетающий мимо объект, он мог бы находиться в дальних пределах нашей Солнечной системы, в поясе Эджворта-Куйпера или облаке Оорта (рис.5), хотя вероятность этого была мала, поскольку его движение было бы сравнимо с параллактическим смещением. В дополнение к этому, гравитационно связанное движение на расстоянии, скажем 1000 а.е. (афелий Седны) привело бы к орбитальному движению менее 40"в год, но видимое движение этого объекта на небе полностью бы подчинялось параллаксу ( ~200"). Интересно, что, когда мы изучили в общей сложности 766926 известных объектов Солнечной Системы в пределах 15' от  αCen во время наблюдений, подобного источника не было найдено вплоть до звездной величины 26m. И снова, дальний транснептуновый объект - суперземля Trujillo & Sheppard (2014),- хорошо коррелирует с нашими данными (например, для R ∼ 1.5R⊕, D ∼ 300AU, Tbb ∼ 15K,θ ∼ 80mas, рис.5).

Можно было бы подумать, что распределение ТНО в облаке Оорта изотропично, однако большинство известных нам ТНО не расположены вдали от эклиптики. Так, например, Седна  с i~12 градусов, а другие объекты - Biden (2012 VP113) и V774104 (10 ноября 2015, Science, DOI: 10.1126/science.aad7414) на i = 24◦ и в пределах 15◦ соответственно. Конечно, это - следствие наблюдательной инерции, поскольку, в основном поиски ведутся вдоль эклиптики (Schwamb et al. 2010), но нельзя исключать и большие наклоны орбит - например, у самой массивной планеты Эриды  i = 44◦.

Из-за предела чувствительности приборов, ТНО открывают, в основном, когда они близко к перигелию, а дальше они остаются невидимыми (e.g., Sheppard et al. 2011).  Однако считается, что на больших расстояниях от Солнца существует большая популяция этих объектов. Совершенно ясно, что АЛМА со своей уникальной чувствительностью, сейчас является единственным способом обнаружить подобные объекты далеко от перигелия - там, где их температура всего несколько десятков К. В пределах от 100 до 1000 а.е. должно быть большое скопление подобных объектов, из которых нам видна лишь малая часть (see also de la Fuente Marcos и de la Fuente Marcos 2014, и ссылки там).

5. Заключение

В течение 10 месяцев на протяжении с 2014 по 2015 годы наблюдения при помощи АЛМА открыли новый источник на двух полосах (0.74 мм - Полоса 8 и 0.87 - Полоса 7), в то время как шум на других полосах был слишком велик. Этот объект находится в пределах 5.5" от  αCen А и В, и совершает такое собственное движение, как и они. В пределах спектрального наклона 2, его субмиллиметровый SED кажется термальным. Однако, простые аргументы показали нам, что это вряд ли звезда, скорее всего, этот объект - часть Солнечной системы, в проградном (прямом) движении, хотя и на слишком большом расстоянии, чтобы его можно было обнаружить на других длинах волн, т.е. это или ДТНО ( значительно дальше 100 а.е.), или гипотетическая суперЗемля (более 300 а.е.) или сверххолодный коричневый карлик (~ 20 000 а.е.)