«Кошачий хвост» β Живописца снят в видимом свете

Космический телескоп Hubble впервые различил в видимом свете «Кошачий хвост» в диске β Живописца. Пылевой выброс рассеивает свет звезды так слабо, что сигнал удалось выделить только после суммирования наблюдений за 14 лет. Об этом 29 октября 2026 года сообщил Университет Аризоны. Статья группы Арина Авсара из Лаборатории Луны и планет и обсерватории Стюарда вышла 7 октября в The Astrophysical Journal Letters.

Система β Живописца находится в 63 световых годах от Земли, в созвездии Живописца, а её пылевой диск виден с ребра. «Кошачий хвост» обнаружили по снимкам инфракрасного инструмента MIRI телескопа «Джеймс Уэбб» (JWST) и сообщили об открытии в январе 2024 года: структура проявилась на длинах волн 15,5 и 23 мкм. В видимом диапазоне она не давала заметного сигнала, и это долго оставалось загадкой.

Новые наблюдения объединяют шесть сеансов Hubble с камерой-спектрографом STIS, сделанных с 2012 по 2025 год, с данными MIRI. Хвост, как считают исследователи, возник после столкновения двух крупных тел, сравнимых по размеру с Плутоном. Авсар объяснил, почему структуру так долго не видели в оптике: «Он состоит почти целиком из так называемого органического тугоплавкого материала, в основе которого углерод». И добавил: «Эти длинные цепочки атомов углерода поглощают видимый свет, поэтому материал довольно чёрный». Органический тугоплавкий материал здесь означает углеродсодержащее вещество, устойчивое к нагреву.

Почему тёмная пыль видна в инфракрасном диапазоне

Два телескопа видят разные процессы. Hubble ловит свет звезды, рассеянный на пылинках. MIRI принимает тепловое излучение самих пылинок, нагретых звездой до температуры от 120 до 145 К. Тёмный углеродный материал рассеивает видимый свет слабо, поэтому в оптике хвост почти не виден. В среднем инфракрасном диапазоне пыль излучает, и там структура проявляется отчётливо.

Модель подбирала состав и пористость зерна по отношению потоков. По её результату, от 85 до 99% твёрдого вещества приходится на органический тугоплавкий материал, остальное приходится на силикаты. Пористость зерна лежит в пределах от 0,55 до 0,93, то есть пустоты занимают от 55 до 93% объёма. Поток хвоста в рассеянном свете составляет 0,1–0,4% от его потока в фильтре MIRI F1550C. Для сравнения, у хвоста из чистых силикатов отношение видимого потока к инфракрасному было бы на два-четыре порядка выше измеренного.

Сопоставление дало и ограничения на положение в пространстве. Тепловое излучение выходит во все стороны одинаково, а рассеянный свет зависит от угла между направлением на звезду и лучом зрения. По отношению потоков модель оценила угол рассеяния в пределах от 77 до 135 градусов и сочла положение хвоста за звездой более вероятным. Однозначно определить геометрию она не может. Авторы прямо пишут, что не могут исключить положение в плоскости неба или рядом с ней: использованная функция рассеяния Хеньи-Гринстейна лишь приближённо описывает рассеяние на пылинках.

Представим слой сажи на стекле: сквозь него видимый свет почти не проходит, но сама сажа, если её нагреть, излучает в инфракрасном диапазоне. У «Кошачьего хвоста» роль такого слоя играют пористые углеродные пылинки, нагретые светом β Живописца. Сходство ограничено: слой на стекле плотный, а зёрна в хвосте рыхлые, и рассеяние на них зависит от угла.

Сколько весили столкнувшиеся тела

Сама геометрия столкновение не доказывает. На него указывают состав, количество органического материала и оценка массы. Чтобы получить 2 × 10¹⁹ кг органических зёрен в хвосте, каждое из двух сталкивавшихся тел должно было весить не менее 1–3 × 10²¹ кг, если органики в них было от 14 до 38% по массе. При плотности 1,5 г/см³ это соответствует радиусу 600–800 км, как у Харона или Макемаке. Авторы называют эту массу нижней границей: расчёт опирается на допущения о плотности обломков и распределении их по размерам.

В снимках Hubble хвост прослеживается примерно до 230 а.е. от звезды (астрономическая единица, а.е., равна среднему расстоянию от Земли до Солнца), тогда как MIRI видит его дальше. Это не значит, что структура обрывается. Рассеянный свет слабеет пропорционально квадрату расстояния, и на дальнем конце хвоста его не хватает на фоне диска. Изгиб на конце, заметный в инфракрасных данных, в оптике не виден по той же причине. Отношение сигнал/шум у обнаруженного компонента составляет всего от 5 до 10.

Версию о столкновении предложили ещё авторы инфракрасного открытия. Они оценили возраст структуры в 100–200 лет и связали хвост со сгустком угарного газа, найденным рядом радиотелескопом ALMA. Как именно углеродные зёрна стали такими рыхлыми, остаётся предметом предположений: обсуждается испарение углерода при столкновении и последующая конденсация, но подтверждённым механизмом это не стало.

Отдельно Hubble выявил искажение внешнего гало диска: над юго-западной частью оно выгнуто и ярче, чем над северо-восточной, а под ней картина меняется на противоположную. Эта асимметрия начинается примерно со 130 а.е. Вероятной причиной авторы считают наклонную орбиту газового гиганта β Живописца b, масса которого примерно в 10 раз больше юпитерианской. Роль двух других известных планет системы пока не ясна, и теоретические модели не воспроизводят все детали гало, в том числе односторонность хвоста.

Как описывать в статье сопоставление данных нескольких инструментов, разобрано в материале о подготовке научных статей.