Астрономы узнали, как образуются планеты в двойных звездных системах

Исследователи из Кембриджского университета и Института внеземной физики Макса Планка показали, как возникли экзопланеты в двойных звездных системах, обнаруженные космическим телескопом Кеплер, сообщает phys.org

Ученые изучили тип двойной звездной системы, в которой меньшая звезда-компаньон вращается вокруг большей родительской звезды примерно раз в 100 лет — наш ближайший сосед, Альфа Центавра, является примером такой системы.

"Представьте, что второе Солнце находится на месте Урана, это сделало бы нашу Cолнечную систему совсем другой", — говорит доктор Роман Рафиков из Кембриджского университета.

Рафиков и его соавтор доктор Кедрон Силсби из Института внеземной физики Макса Планка обнаружили, что для формирования планет в этих системах планетезимали — планетарные строительные блоки, которые вращаются вокруг молодой звезды — должны иметь в диаметре не менее 10 километров, а диск из пыли, льда и газа, окружающий звезду, внутри которой образуются планеты, должен быть относительно круглым.

Исследование объясняет, как могли образоваться многие из обнаруженных подобных планет.

Считается, что формирование планет начинается с протопланетного диска, состоящего в основном из водорода, гелия и крошечных частиц льда и пыли, вращающегося вокруг молодой звезды. Согласно современной теории формирования планет, известной как аккреция ядра, частицы пыли соединяются друг с другом, образуя в конечном итоге более крупные твердые тела. Если процесс прекратится рано, получится каменистая планета, похожая на Землю. Если планета вырастает больше Земли, то ее гравитации достаточно, чтобы уловить большее количество газа из диска, что приведет к образованию газового гиганта, подобного Юпитеру.

"Эта теория имеет смысл для планетных систем, сформированных вокруг одной звезды, но формирование планет в двойных системах является более сложным процессом, потому что звезда-компаньон влияет на протопланетный диск", — говорит Рафиков.

"В системе с одной звездой частицы в диске движутся с небольшой скоростью, поэтому они легко соединяются при столкновении, что позволяет им нарастить массу нового объекта", — говорит Силсби. "Но из-за гравитационного эффекта звезды-компаньона в двойной системе твердые частицы сталкиваются друг с другом с гораздо большей скоростью. Поэтому, когда они сталкиваются, они уничтожают друг друга".

Но многие экзопланеты найдены именно в двойных системах, поэтому встает вопрос — как они туда попали? Некоторые астрономы предполагают, что, возможно, эти планеты плавали в межзвездном пространстве и, например, были захвачены гравитацией двойной системы.

Рафиков и Силсби провели серию моделирований, чтобы разгадать эту загадку. Они разработали подробную математическую модель роста планет в двойной системе, которая использует реалистичные физические данные и учитывает процессы, которые часто упускаются из виду, такие как гравитационное влияние газового диска на движение планетезималей внутри него.

"Известно, что диск напрямую воздействует на планетезимали за счет сопротивления газа, действуя как своего рода ветер", — говорит Силсби. "Несколько лет назад мы поняли, что помимо сопротивления газа, гравитация самого диска резко меняет динамику планетезималей, в некоторых случаях позволяя планетам формироваться даже несмотря на гравитационные возмущения, вызванные звездой-компаньоном".

Моделирование показало, что планеты могут образоваться в двойных системах, таких как Альфа Центавра, при условии, что планетезимали вначале имеют размер не менее 10 километров в диаметре, и что сам протопланетный диск достаточно круглый. Когда эти условия выполняются, планетезимали в определенных частях диска в конечном итоге движутся достаточно медленно относительно друг друга, чтобы соединиться, а не разрушить друг друга.

Эти данные подтверждают особый механизм образования планетезималей, называемый потоковой нестабильностью, который является неотъемлемой частью процесса формирования планет.

Эта нестабильность является общим эффектом, вовлекающим множество твердых частиц в присутствующий газ, который способен концентрировать частицы пыли разного размера, чтобы создать несколько больших планетезималей, которые переживут большинство столкновений.