Впервые зафиксирован процесс амбиполярной диффузии, запускающий рождение звёзд

Астрономам впервые удалось зафиксировать процесс, позволяющий гравитации победить магнитное поле в холодных газопылевых облаках. Ключевую роль в этом играет разница в скоростях нейтральных и заряженных частиц, получившая название амбиполярной диффузии.

Звёзды, подобные нашему Солнцу, рождаются внутри плотных и холодных облаков межзвёздного газа и пыли, которые астрономы называют дозвёздными ядрами. Под действием собственной гравитации эти облака начинают сжиматься, и в центре постепенно формируется протозвезда. Однако этому естественному процессу активно противодействуют мощные магнитные поля, пронизывающие облако: они удерживают заряженные частицы и способны затормозить или даже полностью остановить сжатие.

До сих пор оставалось неясным, каким образом природа преодолевает это препятствие. Международная группа исследователей из Университета Кюсю и Института внеземной физики имени Макса Планка впервые получила прямые наблюдательные доказательства явления, которое объясняет этот механизм. Речь идёт об амбиполярной диффузии — процессе, при котором нейтральные молекулы начинают двигаться быстрее ионов, постепенно высвобождаясь из «плена» магнитных силовых линий.

Объектом изучения стало дозвёздное ядро L1544, расположенное в молекулярном облаке Тельца — одном из ближайших к Земле регионов активного звёздообразования. Для наблюдений учёные использовали 30-метровый радиотелескоп IRAM, который позволил измерить движение двух разных типов молекул: заряженного иона диазенилиума и нейтрального дейтерированного аммиака. Эти вещества являются надёжными индикаторами условий внутри ядра, поскольку они концентрируются в одних и тех же плотных областях.

Главным открытием стало обнаружение систематической разницы в скоростях. Оказалось, что нейтральные молекулы движутся примерно на 0,05 км/с быстрее, чем заряженные частицы. На первый взгляд эта величина кажется ничтожной, однако именно она служит первым прямым свидетельством амбиполярной диффузии в дозвёздных ядрах. Во внешних, более разреженных слоях ионы и нейтрали движутся согласованно, поскольку магнитное поле прочно связывает их в единое целое. Но по мере роста плотности степень ионизации падает — нейтральные частицы перестают чувствовать магнитное поле и под действием гравитации начинают падать к центру быстрее, тогда как ионы продолжают следовать за силовыми линиями.

Именно это рассогласование постепенно ослабляет магнитную «подпорку» облака, позволяя гравитации взять верх и запустить необратимый коллапс. Ранее напрямую наблюдать этот эффект в столь холодных и плотных средах не удавалось из-за технических сложностей и особенностей молекулярного состава. Теперь же астрофизики получили возможность изучать самый ранний этап формирования звёздных систем в деталях. Кроме того, дозвёздные ядра интересны не только как колыбели будущих светил: в их экстремально холодной среде активно синтезируются сложные органические молекулы — предшественники тех соединений, которые впоследствии могут стать основой для возникновения жизни.

В ближайших планах команды — провести аналогичные наблюдения для других дозвёздных ядер и повысить пространственное разрешение измерений. Это позволит составить детальные карты движения заряженных и нейтральных компонент в разных областях облака и проверить, насколько универсален обнаруженный механизм. Авторы работы подчёркивают, что понимание того, как магнитные поля уступают место гравитации, поможет не только объяснить происхождение звёзд, но и пролить свет на формирование планетных систем, включая нашу собственную. Полученные данные уже сейчас позволяют уточнять модели магнитной диффузии и оценивать распределение пылевых частиц в ядрах, что важно для будущих теоретических расчётов.