Дальше предела Роша: что разрушает объекты там, где гравитация бессильна?

Группа астрофизиков под руководством Джордана Стеклоффа из Уорикского университета (Великобритания) обнаружила новый механизм разрушения небесных тел вблизи белых карликов. Исследование, опубликованное на сайте препринте arXiv и принятое к публикации в MNRAS, показывает, что испарение льда и металлов с поверхности астероидов и комет способно разгонять их до разрушения на расстояниях, значительно превышающих пределы Роша — гравитационного барьера, ранее считавшегося главной причиной гибели планетных останков.

Белые карлики это сверхплотные остывающие ядра звезд, подобных Солнцу. Многие из них «отравлены» металлами, которые падают на их поверхность из окружающего космического мусора. С 2015 года астрономы все чаще наблюдают, как вокруг этих звезд вращаются части разрушенных планет, но есть одна загадка: они находятся слишком далеко. Согласно классической теории, гравитация белого карлика должна разрывать астероиды только при подлете на расстояние меньше так называемого предела Роша. Однако реальные обломки регулярно обнаруживаются на удалении в 1–4 радиуса Роша, что не укладывалось в привычные модели.

Авторы статьи предложили элегантное решение: не только приливные силы, но и вращение, ускоренное испарением, способно разрывать небесные тела на куски. Когда небольшой объект, например, ледяная комета, железный осколок или каменный астероид подлетает слишком близко к горячему белому карлику, его поверхность нагревается и начинает интенсивно испаряться.

Возникающие при этом газовые струи работают как реактивный двигатель, но действуют хаотично и неравномерно. Даже ничтожная асимметрия, менее одной десятой процента от общего потока, создает крутящий момент, который раскручивает объект. Если раскрутка происходит достаточно быстро, центробежная сила преодолевает внутреннее сцепление вещества, и тело разлетается на части.

Чтобы проверить эту идею, ученые использовали модель MaMOS (Many Materials Orbital Sublimation), которая рассчитывает давление струй и скорость испарения для разных материалов. Они выбрали три типичных представителя планетного вещества: лед (кометы), железо (ядра планет) и форстерит (мантия, близкая к лунному грунту). Изучив белые карлики разного возраста, от 10 миллионов до 10 миллиардов лет, они пришли к впечатляющим выводам.

Для небольших объектов размером до ста метров ледяное испарение способно разорвать тело на части всего за несколько лет, причем даже на удалении в пять радиусов Роша. Это в сотни и тысячи раз быстрее, чем под действием более известного эффекта Ярковского (изменения скорости вращения небольших астероидов неправильной формы под действием солнечного света.).

Железные и каменные объекты испаряются хуже, но для молодых и потому горячих белых карликов возрастом до 100 миллионов лет этот механизм также работает — правда, требуется уже не несколько лет, а десятки миллионов лет. Наиболее интересный результат касается самых старых остывших белых карликов: через 10 миллиардов лет только ледяные кометы с радиусом менее километра все еще могут разрушаться таким образом. Более крупные тела уже не успевают раскрутиться, прежде чем звезда потускнеет.

Кроме того, ученые показали, что даже если объект уже раскручен до предела и распался на две части, процесс не останавливается. Каждый новый осколок продолжает испаряться и снова раскручиваться, дробясь все мельче. В сумме вся цепочка последовательных разрушений занимает лишь в 2–3 раза больше времени, чем первое разрушение. Иными словами, единожды запущенный механизм быстро превращает небольшое тело в облако пыли и газа, которое и наблюдается астрономами в виде загадочных транзитных дисков.

В результате ученые доказали, что испарение поверхностных веществ с астероидов и комет на орбитах белых карликов запускает их катастрофическое раскручивание и последующее дробление на удалениях, значительно превышающих гравитационный предел Роша. Это объясняет давнее противоречие наблюдений и показывает, что планетные останки могут разрушаться и заражать звезду металлами даже без прямого приливного разрыва. Наиболее эффективен этот механизм для небольших ледяных тел вблизи молодых белых карликов.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях