|
Почему планеты типа Татуина так редки
|
|
|
|
Астрономы обнаружили тысячи экзопланет вокруг одиночных звезд, но лишь несколько — вокруг двойных звезд, хотя оба типа звезд одинаково распространены. Теперь физики могут объяснить этот недостаток. Из более чем 4500 известных звезд, у которых есть планеты, выделяется одна загадочная статистика. Хотя предполагается, что планеты есть почти у всех звезд и большинство звезд образуются парами, планеты, которые обращаются вокруг обеих звезд в паре, встречаются редко.
|
|
|
|
Из более чем 6000 внесолнечных планет, или экзопланет, подтвержденных на сегодняшний день — большинство из них были обнаружены космическим телескопом НАСА "Кеплер" и спутником Transiting Exoplanet Survey (TESS) — только 14 наблюдаются на орбите двойных звезд. Их должны быть сотни. Где все планеты с двумя солнцами, как Татуин в "Звездных войнах"?
|
|
|
|
Астрофизики из Калифорнийского университета в Беркли и Американского университета в Бейруте теперь предложили причину такой нехватки околоземных экзопланет — и виной тому общая теория относительности Эйнштейна.
|
|
|
|
В большинстве двойных звездных систем звезды имеют сходные, но не идентичные массы и обращаются друг вокруг друга по яйцевидной или эллиптической орбите. Если планета вращается вокруг пары звезд, гравитационное притяжение звезд приводит к прецессии орбиты планеты, то есть ось орбиты вращается подобно тому, как вращается ось волчка под действием силы тяжести Земли.
|
|
|
|
|
|
|
Орбита двойных звезд также прецессирует, но в основном из-за общей теории относительности. Со временем приливные взаимодействия между двойной парой уменьшают орбиту, что приводит к двум последствиям: скорость прецессии звезд увеличивается, но скорость прецессии планет замедляется. Когда две скорости прецессии совпадают, или входят в резонанс, орбита планеты сильно удлиняется, уводя ее дальше от звезды, но в то же время приближая при самом близком сближении.
|
|
|
|
"Могут произойти две вещи: либо планета окажется очень-очень близко к двойной системе, испытывая приливные нарушения, либо будет поглощена одной из звезд, либо ее орбита будет значительно изменена двойной системой, и в конечном итоге она будет выброшена из системы", - сказал Мохаммад Фархат, аспирант Миллера из Калифорнийского университета в Беркли. первый автор статьи. "В обоих случаях вы избавляетесь от планеты".
|
|
|
|
Это не значит, что у двойных звезд нет планет, - предупредил он. Но единственные, которые выживают в этом процессе, находятся слишком далеко от звезд, чтобы мы могли обнаружить их с помощью транзитных методов, используемых Кеплером и TESS.
|
|
|
|
"Планеты, несомненно, существуют. Просто их трудно обнаружить с помощью современных приборов", - сказал соавтор исследования Джихад Тома, профессор физики Американского университета в Бейруте.
|
|
|
|
Как миссии "Кеплер", так и TESS искали экзопланеты, наблюдая за небольшим затемнением звезды, когда планета проходила перед ней. Но Кеплер также обнаружил около 3000 затменных двойных звезд, когда одна из звездных пар проходила перед другой. Поскольку было обнаружено, что около 10% одиночных солнцеподобных звезд имеют массивные планеты, астрономы ожидали увидеть большие планеты и вокруг примерно 10% двойных звезд, или около 300 звезд. Вместо этого было обнаружено только 47 планет-кандидатов, вращающихся вокруг двойных звезд, и только 14 были подтверждены как транзитные планеты, вращающиеся вокруг двойной звезды.
|
|
|
|
Ни одна из этих 14 экзопланет не вращается вокруг плотных двойных систем, вращающихся вокруг друг друга менее чем за семь дней.
|
|
|
|
"У вас вообще мало околоземных планет, а вокруг двойных систем с периодами обращения семь дней или меньше - абсолютная пустыня", - сказал Фархат. "Подавляющее большинство затменных двойных систем являются плотными двойными системами и являются именно теми системами, вокруг которых мы больше всего ожидаем обнаружить транзитные околоземные планеты".
|
|
|
|
Фархат указывает, что вокруг двойных звезд существует зона нестабильности, в которой не может выжить ни одна планета. В пределах этой зоны взаимодействие трех тел между двумя звездами и планетой либо вытесняет планету из системы, либо притягивает ее достаточно близко, чтобы она слилась со звездами или была разорвана ими на части. Примечательно, что 12 из 14 известных транзитных экзопланет, вращающихся вокруг плотных двойных систем, находятся сразу за границей зоны нестабильности, куда они, по-видимому, мигрировали издалека, поскольку планетам там было бы трудно формироваться.
|
|
|
|
"Планеты формируются снизу вверх, путем склеивания мелких планетезималей. Но формирование планеты на краю зоны нестабильности было бы похоже на попытку склеить снежинки во время урагана", - сказал он.
|
|
|
|
Фархат ранее сотрудничал с Томой в области формирования и эволюции планетарных орбит в различных звездных системах, включая нашу собственную. Но Тома также интересовался орбитами двойных черных дыр и двойных звезд. 10 лет назад он понял, что общая теория относительности должна изменить то, как планеты движутся вокруг систем с двойными звездами, но он не знал, достаточно ли силен этот эффект, чтобы иметь значение. Однако, углубившись в изучение экзопланет, он предположил, что едва заметные толчки и притяжения, вытекающие из теории относительности, в сочетании с медленным сближением звезд по спирали, могут объяснить тайну пропавших планет вокруг плотных двойных систем.
|
|
|
|
Используя математические и компьютерные модели, Фархат и Тома обнаружили, что общая теория относительности оказывает огромное влияние на судьбы околоземных планет, эффективно устраняя любые близкие планеты. Согласно их расчетам, общие релятивистские эффекты разрушат восемь из каждых 10 экзопланет, вращающихся вокруг плотных двойных систем, и из них 75% будут уничтожены в процессе.
|
|
|
|
Предложенная Альбертом Эйнштейном в 1915 году общая теория относительности интерпретирует гравитацию как деформацию ткани пространства-времени под действием массы, аналогично тому, как человек на батуте деформирует поверхность и заставляет другие объекты на батуте падать внутрь. Так получилось, что орбита Меркурия находится ближе всего к гравитационному искривлению Солнца, и в результате орбитальная прецессия Меркурия несколько выше, чем предсказывала более ранняя теория всемирного тяготения, изложенная Исааком Ньютоном. Общее релятивистское объяснение дополнительной прецессии орбиты Меркурия, полученное более ста лет назад, стало первым подтверждением теории Эйнштейна.
|
|
|
|
Тот же эффект возникает, когда любые два объекта сближаются друг с другом, например, тесно связанные двойные звезды. Двойные звезды, вероятно, начинают свою жизнь на большом расстоянии друг от друга, но поскольку они взаимодействуют с окружающим газом во время формирования своей звездной системы, предсказывается, что многие пары будут сближаться в течение десятков миллионов лет. Когда это происходит, они создают приливы друг в друге, которые медленно, в течение миллиардов лет, еще больше сокращают орбиту.
|
|
|
|
В конечном счете, по мере того, как периоды их обращения сокращаются до недели или менее, все большее значение приобретает общая релятивистская прецессия. Это приводит к прецессии орбиты, что означает, что точка наибольшего сближения, или периастр, также вращается. По мере того, как звезды становятся все ближе и ближе, скорость прецессии увеличивается.
|
|
|
|
У экзопланет, имеющих двойную орбиту, также наблюдается прецессия эллиптической оси, в данном случае из—за гравитационного притяжения двух звезд - строго ньютоновский процесс. Однако по мере того, как двойные системы сближаются друг с другом, их возмущение планетой постепенно ослабевает, а прецессия замедляется.
|
|
|
|
Поскольку орбитальная прецессия двойных звезд увеличивается, а орбитальная прецессия экзопланеты уменьшается, в какой-то момент они совпадают и входят в состояние резонанса. В этот момент, как показывают расчеты, орбита экзопланеты начинает удлиняться, уводя ее дальше от двойной звезды в крайней точке ее орбиты, но ближе к периастру.
|
|
|
|
Когда периастр входит в зону нестабильности, экзопланета либо удаляется на дальние окраины системы, либо приближается слишком близко к двойной и поглощается ею. Поскольку это разрушение происходит быстро, занимая несколько десятков миллионов лет в течение многомиллиардного срока жизни звезды, экзопланеты, вращающиеся вокруг плотных двойных систем, в конечном итоге становятся очень редкими.
|
|
|
|
"Планета, попавшая в резонанс, обнаруживает, что ее орбита деформируется до все большего и большего эксцентриситета, прецессируя все быстрее и быстрее, оставаясь в гармонии с орбитой двойной звезды, которая сжимается", - сказал Тома. "И на маршруте он сталкивается с зоной нестабильности вокруг двойных систем, где срабатывают эффекты трех тел и гравитационно очищают зону".
|
|
|
|
"Просто естественным образом, когда вы формируете эти плотные двойные системы, эти двойные системы продолжительностью менее семи дней, вы естественным образом избавляетесь от планеты, не вызывая дополнительных помех со стороны ближайшей звезды или других механизмов", - сказал Фархат.
|
|
|
|
По словам Тома, одни и те же процессы, вероятно, вытеснят множество планет из двойных систем, особенно из тех, которые можно обнаружить с помощью Kepler или TESS.
|
|
|
|
Исследователи используют свои модели, чтобы определить, как общие релятивистские эффекты влияют на скопления звезд вокруг пар сверхмассивных черных дыр, и может ли общая теория относительности частично объяснить отсутствие планет вокруг двойных пульсаров — двух вращающихся нейтронных звезд, обращающихся друг вокруг друга и испускающих точно рассчитанные радиоимпульсы.. Эта работа иллюстрирует важную роль, которую сыграла революционная теория тяготения Эйнштейна даже в простых системах, где считалось, что законы тяготения Ньютона объясняют все.
|
|
|
|
"Интересно, что спустя почти столетие после расчетов Эйнштейна компьютерное моделирование показало, как релятивистские эффекты, возможно, спасли Меркурий от хаотической диффузии за пределы Солнечной системы. Здесь мы видим, как соответствующие эффекты действуют, разрушая планетные системы", - сказал Тома. "Общая теория относительности в некотором смысле стабилизирует системы и нарушает их работу другими способами".
|
|
|
|
Источник
|
