Екзопланети можуть формуватися з матеріалу вмираючих зірок

Більшість зірок у Всесвіті народжуються в подвійних системах, світила-одиначки на кшталт Сонця швидше виняток із правил. Одними з учасників таких систем можуть бути білі карлики — колишні ядра зірок зазвичай розміром із Землю. Інші — зірки-компаньйони більше. Іноді на короткоперіодичних орбітах навколо білих карликів астрономи відкривають екзопланети, які сильно перевищують за розміром самі «колишні зірки» і якимось чином уникнули руйнування. Американські астрономи та фізики розповіли, як можуть з’являтися такі об’єкти.

2020 року міжнародна команда астрономів повідомила про відкриття першої в історії екзопланети, що обертається навколо білого карлика WD 1856+534. Вона одержала позначення WD 1856+534 b і розташована на відстані 80 світлових років від Землі. 

За допомогою спостережень, проведених космічним телескопом TESS, фахівці з’ясували, що WD 1856+534 b за розміром практично порівнянна з Юпітером і більший за білий карлик приблизно в сім разів (радіус «колишній зірки» всього на 40 відсотків більше земного). Маса екзопланети — 13,8 маси Юпітера. 

Надалі вдалося дізнатися, що орбітальний період екзопланети становить майже 34 години, тобто рік на ній триває 1,4 дня. Вона розташована на відстані близько трьох мільйонів кілометрів (0,02 астрономічної одиниці) від білого карлика.

Різного роду фізичні моделі передбачають, що будь-яка екзопланета, підібравшись настільки близько до білого карлика, не повинна зберегтися. Зазвичай планети формуються на орбіті навколо своїх зірок із того ж газопилового диска, з якого народжується саме світило, як це сталося у Сонячній системі. Але під час такого процесу не може з’явитися світ, який би розташовувався так близько до майбутнього білого карлика, оскільки гравітаційне тяжіння зірок настільки сильно, що розірвало б молоду планету на частини. Однак WD 1856+534 b якимось чином вціліла, і багато вчених намагаються знайти пояснення того, як з’являються такі об’єкти. 

Білі карлики – фінальний етап еволюції зірки. Ними стають світила, чия маса недостатня для перетворення на нейтронну зірку, а саме – не перевищує 10 мас Сонця. Після того як ці зірки «звертаються» до червоних гігантів і потім скидають свої оболонки, від них залишається щільне ядро, що остигає, позбавлене джерел термоядерної енергії. Білі карлики мають високу поверхневу гравітацію, а їх розмір зазвичай порівняний із Землею. У цьому випадку їхня маса може становити від 0,17 до 1,44 маси Сонця.

Вчені, які у 2020 році відкрили WD 1856+534 b, у своїй статті припустили, що, швидше за все, гравітація білого карлика притягла екзопланету через деякий час після того, як зірка перестала бути червоним гігантом. Інакше від екзопланети нічого не лишилося б.

Автори нової наукової роботи, опублікованої на сайті електронного архіву препринтів arXiv , розповіли про іншу долю WD 1856+534 b. Вони вважають, що об’єкт спочатку сформувався на орбіті WD 1856+534. 

Багато білі карлики утворюються в бінарних системах, що складаються з «колишньої зірки» та її компаньйона — більшого світила. Ці тіла гравітаційно пов’язані один з одним і обертаються замкнутими орбітами навколо загального центру мас. Якщо в подвійній зірковій системі відстань між об’єктами невелика, білий карлик (він має високу поверхневу гравітацію) почне «перетягувати» речовину зірки-сусідки на себе, яка почне повільно «вмирати».

Група американських астрономів та фізиків під керівництвом Джейсона Нордхауса (Jason Nordhaus) з Рочестерського технологічного інституту побудувала модель зіркової еволюції. Вона показала, що «смерть» зірки – компаньйона білого карлика WD 1856+534 могла призвести до народження планети розміром із Юпітер.

Згідно з моделюванням, якби зірка — сусідка білого карлика була правильної маси, тобто трохи менше Сонця, то два тіла зблизилися б настільки, що орбіта останнього була б повністю всередині орбіти більшого компаньйона. У міру того, як щільний білий карлик обходив дифузні зовнішні краї сусідки, він повільно «всмоктував» плазму зірки.

В результаті обертання білого карлика навколо нього з’явився б газопиловий акреційний диск із речовини компаньйона, потім через гравітаційну нестійкість диска могла б сформуватися планета. Залишковий газ згодом сміла б енергія руху білого карлика та нової планети.

Перевірити ідею команди Нордхауса важко. Знайти докази того, що екзопланета утворилася саме з матеріалу зірки, що вмирає, навряд чи вийде. Звичайно, можна спробувати дослідити хімічний склад WD 1856+534 b і WD 1856+534 і спробувати визначити ступінь подібності їх елементів, але астрономи поки що не мають настільки потужного приладу, який дозволив би провести такого роду дослідження.

Екзопланети поблизу білих карликів досить цікаві, оскільки «колишні зірки» відносно холодні, а отже, можуть створити на екзопланетах сприятливі умови для відомої форми життя. Наприклад, найстаріші білі карлики мають температуру близько 2000 кельвінів — майже вдвічі менше, ніж у Сонця. Щодо світу WD 1856+534 b, то верхня межа температури для нього майже 17 градусів Цельсія. Це можна порівняти з земними показниками.