Туманность Кольцо (NGC 6720) — один из самых изученных объектов за всю историю астрономии. Расположенная в созвездии Лиры, она представляет собой хрестоматийный пример смерти звезды, сбросившей свои внешние оболочки.
Казалось, что современная наука знает об этом объекте всё: его химический состав, геометрию и скорость расширения измерены с высокой точностью. Однако данные, полученные новым инструментом WEAVE на телескопе Уильяма Гершеля, опровергли это.
Астрономы обнаружили внутри туманности гигантскую линейную структуру, состоящую из сильно ионизированного железа. Существование этого объекта невозможно объяснить в рамках текущих теорий эволюции звезд: для его формирования необходимы условия, следов которых в туманности просто нет.
Проблема наблюдательной слепоты
В астрофизике существует давняя проблема выбора метода наблюдения. Ученые могут получить либо детальное изображение объекта (фотографию), либо информацию о его химическом составе и скорости движения (спектр).
Традиционная спектроскопия работает по принципу узкой щели: свет отрезается специальной шторкой, оставляя лишь тонкую полоску. Это позволяет точно разложить свет на компоненты, но дает информацию только о крошечном фрагменте объекта. Чтобы составить полную карту туманности таким способом, потребовались бы сотни часов наблюдений.
Именно это ограничение преодолел новый инструмент WEAVE. В ходе научной верификации астрономы использовали режим панорамной спектроскопии (LIFU — Large Integral Field Unit). Устройство состоит из 547 отдельных оптических волокон, собранных в единый шестиугольный массив.
Каждое волокно работает как независимый спектрограф. Направив этот массив на Туманность Кольцо, исследователи получили не просто плоское изображение, а трехмерный куб данных. В каждой точке этого куба содержится полная информация о том, какие элементы там присутствуют, насколько они горячи и с какой скоростью движутся.
Благодаря этому методу удалось увидеть то, что десятилетиями ускользало от внимания: распределение химических элементов в туманности неоднородно, а некоторые структуры ведут себя вопреки ожиданиям.
Аномалия тяжелых элементов
Главным открытием стало обнаружение специфического излучения ионов железа. Речь идет об атомах, потерявших четыре ([Fe V]) или пять ([Fe VI]) электронов. В то время как водород, гелий и кислород формируют в туманности сложные оболочки, дуги и кольца, ионизированное железо выстроилось в четкую прямую линию — "бар". Эта структура пересекает центральную часть туманности с юго-запада на северо-восток.
Сам факт наличия такого количества газообразного железа в этой области является физической загадкой. В условиях, типичных для планетарных туманностей (расширяющихся газовых оболочек вокруг умирающих звезд), железо ведет себя иначе, чем легкие газы. По мере остывания выброшенного звездой вещества атомы железа конденсируются. Они объединяются, формируя твердые частицы пыли.
Оказавшись запертым в твердом состоянии, железо перестает излучать свет в оптическом диапазоне спектра и становится невидимым для инструментов. Этот процесс называют "истощением газовой фазы".
Обычно астрономы видят в туманностях лишь малую долю реального железа — менее 10%. Остальное скрыто в пыли. Однако в обнаруженной структуре железо сияет ярко, что указывает на обратный процесс: что-то разрушило пылевые частицы и вернуло атомы железа в газообразное состояние.
Отсутствующий механизм разрушения
Здесь возникает главное противоречие. Физика разрушения космической пыли хорошо изучена. Чтобы выбить атомы металла из кристаллической решетки пылинки, требуется внешнее воздействие огромной мощности.
Существует два основных сценария, при которых это возможно:
Термическое распыление: если газ нагревается до экстремальных температур (более миллиона градусов Кельвина), тепловая энергия частиц становится достаточной для разрушения пыли. Однако такой горячий газ неизбежно излучал бы в рентгеновском диапазоне. Наблюдения космических телескопов показывают, что в Туманности Кольцо нет источников рентгеновского излучения такой мощности.
Ударное разрушение: пыль может быть уничтожена ударными волнами — областями резкого скачка давления, возникающими при столкновении быстрых потоков газа. Расчеты показывают, что для разрушения пылевых зерен скорость таких потоков должна превышать 50 километров в секунду.
Данные WEAVE позволили измерить скорость движения газа внутри "железного бара". Результат оказался неожиданным: скорости там крайне низкие и не превышают 20-30 километров в секунду. Этого недостаточно для генерации ударных волн, способных разрушить пыль.
Ситуация выглядит парадоксальной. Мы наблюдаем последствия разрушения пыли (яркое свечение газообразного железа), но полностью отсутствуют физические причины, которые могли бы это разрушение вызвать. Нет ни экстремальной температуры, ни быстрых ударных волн.
Геометрия и источник энергии
Анализ положения "железного бара" добавляет новые вопросы. Обычно линейные структуры в туманностях связаны с джетами — узконаправленными выбросами материи с полюсов звезды. Джеты всегда симметричны и имеют характерные признаки быстрого движения. Однако обнаруженная структура практически неподвижна относительно самой туманности.
Более того, центральная звезда туманности — горячий белый карлик, который является источником энергии для свечения газа, — не находится в центре этой железной полосы. Звезда смещена относительно оси структуры на значительное расстояние. Это исключает простую геометрическую модель, в которой звезда выбрасывает вещество или подсвечивает его двумя симметричными лучами.
Сравнение новых данных с инфракрасными снимками телескопа "Джеймс Уэбб" (JWST) показало сложную взаимосвязь. Инфракрасный телескоп видит свечение холодной пыли и молекул водорода. Наложение карт WEAVE и JWST выявило антикорреляцию: области максимального свечения железа совпадают с темными провалами в распределении пыли. Это подтверждает гипотезу о том, что пыль в этой зоне действительно уничтожается, высвобождая железо. Но источник энергии для этого процесса остается неизвестным.
Значение для астрофизики
Планетарные туманности играют ключевую роль в химической эволюции Галактики. Именно они выбрасывают в межзвездное пространство углерод, азот и другие элементы, синтезированные в недрах звезд. Из этого обогащенного вещества впоследствии формируются новые звезды и планеты.
До сих пор считалось, что процессы выброса вещества относительно понятны и описываются гидродинамическими моделями взаимодействия звездного ветра. Открытие в NGC 6720 показывает, что наши представления упрощены. Существование изолированных структур с аномальным химическим составом и необъяснимой термодинамикой говорит о наличии скрытых процессов.
Возможно, речь идет о влиянии магнитного поля звезды-прародителя, которое могло сфокусировать потоки плазмы в узкую полосу. Другая гипотеза может быть связана с присутствием у центрального белого карлика массивного компаньона, орбитальное движение которого возмущает газовую среду. Однако на данный момент ни одна из этих версий не имеет подтверждения в наблюдательных данных.
Исследование Туманности Кольцо с помощью WEAVE демонстрирует, как новые методы панорамной спектроскопии способны менять понимание даже самых известных объектов. Вместо того чтобы закрыть вопрос о строении этой туманности, ученые получили набор данных, который заставляет пересматривать физику взаимодействия газа и пыли в экстремальных условиях. Разгадка природы "железного бара" потребует создания новых теоретических моделей, описывающих финал жизни звезд.