16. Кольца вокруг младенца

В чилийской пустыне Атакама осенью 2014 года антенны радиообсерватории ALMA развели дальше друг от друга, чем когда-либо прежде: проверяли, насколько остро она умеет видеть. Одной из целей выбрали молодую звезду HL Тельца. Ей не больше миллиона лет, по звёздным меркам она младенец. Снимок, опубликованный в ноябре, показал вокруг неё плоский диск, расчерченный яркими кольцами и тёмными щелями, как мишень в тире. В сообщении о снимке прямо написали, что у такой молодой звезды не ждали крупных тел, способных прорезать такие щели.

Материал для диска — газ и пыль холодного облака, а форму ему задают вращение этого газа и тяжесть звезды или дыры в центре. Есть и вторая дорога: в тесной паре вещество перетекает с раздутой звезды на соседа, белый карлик, и тоже ложится в диск. Вопрос в том, почему вещество кружит вокруг центра, а не падает на него прямо.

Вращение нельзя выбросить. Фигуристка прижимает руки и крутится быстрее: вращение никуда не делось, просто собралось теснее. Облако, которое сжимается и хоть чуть-чуть поворачивается, раскручивается так же, и скоро вращение уже не пускает газ к центру поперёк оси. Вдоль оси ему ничто не мешает. Частицы сталкиваются, теряют энергию на свет и оседают в одну плоскость, как тесто пиццы, раскрученное на пальце. Шар становится блином.

Картину вращающейся туманности, которая сплющивается и рождает планеты, весной 1755 года нарисовал молодой Иммануил Кант из Кёнигсберга. Оттого, писал он, все планеты и ходят в одной плоскости и в одну сторону. Книгу, «Всеобщую естественную историю и теорию неба», он выпустил без имени, а издатель Петерсен разорился как раз тогда, когда она выходила из печати. Склад описали по суду, и до читателей почти ничего не дошло. Через сорок лет похожую картину независимо предложил Лаплас.

Обоим не хватало одного ответа. В Солнце больше девяноста девяти процентов массы всей системы, а вращения лишь около процента: почти всё кручение унесли планеты, прежде всего Юпитер. Как масса и вращение одного облака разошлись по разным хозяевам?

Диск работает как конвейер. Чтобы кусок газа сдвинулся ближе к центру, он должен отдать своё вращение соседу снаружи, как в набитом вагоне к двери пройдёшь, только если кто-то подвинется вглубь. Масса стекает внутрь, вращение уезжает наружу, внешний край расползается. Обычное трение молекул газа тут не годится: оно так слабо, что с ним диск перекачивал бы газ дольше, чем существует Вселенная. У отдельной молекулы и задачи такой нет, она не знает, где у диска внутренний край, а где внешний. Задача принадлежит целому.

В 1973 году в Москве Николай Шакура и Рашид Сюняев построили модель диска вокруг чёрной дыры в двойной системе, не зная, что именно переносит вращение. Всё своё незнание они честно завернули в одну букву, альфа: насколько сильно беспорядочные движения газа передают вращение соседям. По этой модели до сих пор считают диски от звёзд-младенцев до квазаров, тех самых ярких ядер далёких галактик. Что прячется за буквой, показали только в 1991 году Стивен Балбус и Джон Хоули: вихри, которые раскачивает слабое магнитное поле.

Газу для этого достаточно хоть немного проводить ток: тогда поле связывает соседние слои, как пружина связывала бы двух бегунов на соседних дорожках. Внутренний бежит быстрее, пружина тормозит его и подгоняет внешнего. Заторможенный спускается ближе к центру, разрыв растёт, пружина натягивается сильнее, и весь диск вскипает вихрями. Саму эту раскачку ещё в конце пятидесятых нашёл Евгений Велихов, но в дисках её тогда не искали.

Везде ли работает этот мотор, пока неизвестно. В холодной глубине диска молодой звезды газ почти не проводит ток, и вихри там могут гаснуть. По одной давней гипотезе, они кипят только в поверхностных слоях, где космические лучи и рентген звезды отрывают у атомов электроны, а середина лежит тихо, как ил под течением реки. Другие отдают эту работу магнитным ветрам, которые диск сдувает со своих поверхностей. Спор не решён.

У целого появляются умения, которых нет ни у одной частицы газа. Вещество вокруг чёрной дыры спускается по диску до внутреннего края, ближе которого кружить уже нельзя, и по дороге отдаёт светом от шести до сорока двух процентов своей массы, смотря как быстро вращается дыра. Звезда, превращая водород в гелий, переводит в свет меньше процента. Грамм вещества, прошедший диск дыры, даёт столько энергии, сколько небольшая атомная бомба, а тот же грамм водорода в недрах Солнца — сколько два-три вагона взрывчатки. Поэтому диск квазара, который свет пересекает за несколько дней, может затмить целую галактику.

Диск вокруг белого карлика в тесной паре ведёт себя как кастрюля под крышкой. У звезды SS Лебедя вещество копится в холодном вялом диске, а примерно раз в полтора-два месяца диск срывается в горячее бурное состояние, перекачка разом ускоряется, и звезда разгорается в десятки раз. Потом крышка ложится на место, и всё начинается снова.

Вокруг молодой звезды диск держит другое: чертёж. Температура в нём падает от центра к краю, а значит, есть граница, за которой водяной пар вымерзает в лёд, как граница снега на склоне горы. В диске Солнца эта снеговая линия лежала, по классической оценке, там, где сейчас пояс астероидов, и сдвигалась, пока диск остывал. Ближе к звезде твёрдым оставался только камень, дальше к камню прибавлялся лёд, и строительного материала становилось в несколько раз больше. Зародыши за линией росли быстрее и успевали набрать газа, пока он не исчез. А исчезает он быстро: у половины звёзд диск рассеивается примерно за три миллиона лет. Если приравнять нынешний возраст Солнца к жизни восьмидесятилетнего человека, диск продержался её первые три недели.

Кольца HL Тельца тоже чертёж, только прочитать его пока не умеют. Позже ALMA сняла с той же остротой два десятка дисков, и кольца со щелями оказались обычным делом. Одни видят в щелях дорожки, которые прочищают молодые планеты, другие видят снеговые линии разных льдов, где меняются свойства пыли. В движении газа некоторых дисков нашли следы планет, но далеко не для всех колец. Кольца Сатурна, где нет газа, и диск Галактики, где звёзды почти не сталкиваются, похожи на всё это только формой.

На диске пути делятся. Диски вокруг дыр и белых карликов ветвей не дают, у них всё кончается светом и падением. Диск молодой звезды оставляет два наследства. Одно твёрдое: крупинки, которые слипнутся в хлопья, камни и груды щебня; самые первые из них, светлые зёрна старше Земли, лежат в метеоритах до сих пор. Другое — планировка: планетная система получит от диска общую плоскость, общее направление орбит и снеговую линию, которая развела по разные стороны камень и гигантов.

Первое наследство начинается с ветра. Газ диска отчасти подпирает собственное давление, поэтому он кружит чуть медленнее, чем летели бы вокруг звезды свободные твёрдые тела. Всё, что слиплось крупнее пылинки, летит сквозь этот газ навстречу слабому ровному ветру.