Две семьи планетных систем: как звезда определяет судьбу своих миров

Международная исследовательская группа под руководством Итальянского национального института астрофизики (INAF) проанализировала 300 наиболее хорошо изученных планетных систем из более чем 1000 известных в Млечном пути и обнаружила, что многопланетные системы делятся на два разных «семейства». Исследование опубликовано в журнале Nature Astronomy.

Астрономы любят повторять, что мы живем в золотой век открытий: еще сорок лет назад ни одна планета за пределами Солнечной системы не была подтверждена, а сегодня их счет идет на тысячи. Но за этим триумфом скрывается неудобный вопрос. Когда перед нами оказывается более тысячи многопланетных систем, похожих друг на друга не больше, чем галактики похожи на звезды, как вообще навести порядок в этом хаосе?

Можно бесконечно описывать каждую систему по отдельности, но рано или поздно кто-то должен был спросить: а нет ли за всем этим разнообразием простой, почти биологической закономерности? Именно этот вопрос и заставил команду исследователей под руководством Диего Туррини из INAF взяться за работу, которая в итоге привела к неожиданному выводу.

Чтобы разобраться в устройстве планетных семейств, ученые применили так называемые «архитектурно-нейтральные» метрики, инструмент, позволяющий сравнивать между собой системы, которые на первый взгляд не имеют ничего общего. Вместо того чтобы цепляться за отдельные характеристики вроде количества планет или их размеров, исследователи оценивали системы целиком: насколько плотно упакованы планеты, насколько вытянуты их орбиты, насколько сильно они наклонены друг относительно друга.

Эти параметры складываются в единую величину — динамическую температуру системы, которая показывает, как далеко она ушла от идеально упорядоченного состояния, где все планеты движутся по почти круговым орбитам в одной плоскости. Чем выше эта «температура», тем более бурное прошлое пережила система.

Когда данные четырех независимо собранных выборок многопланетных систем были приведены к общему знаменателю, картина оказалась поразительно четкой. По массе системы разделились на две группы, и это разделение совпало с различиями по множеству других параметров. Первое семейство — массивное. Его составляют системы, чья суммарная масса нередко в два, пять, а то и десять раз превышает массу всей Солнечной системы. Живут они возле звезд более тяжелых и богатых металлами, чем наше Солнце, то есть таких, в составе которых заметно больше элементов тяжелее гелия. Эти системы гравитационно компактны, но при этом их динамическая температура оказалась на порядок выше, чем у Солнечной системы. Иными словами, планеты в них движутся по сильно вытянутым и наклоненным орбитам, а сами системы выглядят так, будто пережили череду жестоких столкновений, выбросов и глобальных неустойчивостей.

Второе семейство полная противоположность. Это системы меньшей массы, и встречаются они преимущественно у звезд, которые по массе и металличности не превосходят Солнце, а часто и уступают ему. Их планеты расположены очень тесно, зачастую на расстояниях, которые в несколько раз меньше расстояния от Меркурия до Солнца. При этом планеты внутри одной системы удивительно похожи друг на друга по массе и размеру — та самая конфигурация, которую иногда называют «горошинами в стручке». Динамическая температура этих систем умеренная и сопоставима с солнечной. Их прошлое, судя по всему, было куда спокойнее: без катастрофических сближений и планетарных бильярдов.

Ключевой вопрос, который стоял перед исследователями, звучал так: являются ли эти два семейства реальными или же мы просто видим искаженную картину из-за ограничений методов наблюдения? Ведь обнаружить компактную систему из небольших планет у тусклой звезды гораздо труднее, чем массивную систему у яркой. Камилла Даниельски из Университета Валенсии, соавтор работы, признает, что главная сложность заключалась именно в том, чтобы отделить физическую реальность от эффектов отбора. Но в итоге выяснилось, что наблюдательные ограничения лишь верхушка айсберга. Под ними скрываются куда более глубокие структурные различия, которые нельзя объяснить одной лишь неполнотой данных.

Чтобы проверить гипотезу, исследователи провели серию численных моделирований, воспроизводящих эволюцию планетных систем с разными начальными условиями. Результаты оказались красноречивыми. Динамические свойства массивного семейства лучше всего воспроизводятся в сценариях, где системы были нестабильны буквально с момента рождения. Данаэ Полихрони, руководившая этой частью работы, объясняет это так: вокруг богатых металлами и массивных звезд формируется слишком много вещества, из которого рождаются слишком большие планеты. Их гравитационное взаимодействие неизбежно приводит к хаосу, и система оказывается «горячей» с самого начала. Спокойная эволюция для таких условий попросту невозможна.

А вот у систем меньшей массы сценарий иной. Они рождаются в более скромных условиях, и их планеты, хотя и расположены тесно, сохраняют относительный порядок. Их умеренная динамическая температура не результат катастрофы, а следствие мягкой эволюции, в чем-то похожей на ту, что пережила Солнечная система. Это не значит, что они абсолютно стабильны и никогда не возмущались, но масштаб этих возмущений несопоставим с тем, что происходит в массивных семействах.

Исследователь из NAF Диего Туррини формулирует главный вывод так: исходный вопрос был в том, что определяет облик планетной системы: условия при рождении или последующая эволюция. Ответ оказался посередине. Существует своего рода генетическая связь между звездой и ее планетами, и эта связь задает не только начальные условия, но и всю дальнейшую судьбу системы. Даже небольшие различия в свойствах звезды — ее массе, химическом составе, способны радикально изменить природу формирующейся системы, определить, ждут ли ее фазы бурной нестабильности и гигантских столкновений или относительно спокойное существование.

Открытие имеет значение далеко за пределами теоретической астрофизики. Оно помогает понять, насколько естественная звездная среда влияет на судьбу планет и на выживание миров, потенциально способных поддерживать жизнь. Если системы, похожие на Солнечную, рождаются преимущественно у звезд солнечного типа с умеренной металличностью, то поиск планет, подобных Земле, стоит вести именно в таких окрестностях. А массивные и богатые металлами звезды, при всей их привлекательности для наблюдателей, возможно, гораздо реже создают условия для спокойных, долгоживущих планетных архитектур.

Результат исследования можно сформулировать коротко так: все известные многопланетные системы делятся на два больших семейства, и принадлежность к каждому из них определяется свойствами звезды-хозяина. Массивные системы у богатых металлами звезд рождаются нестабильными и остаются динамически «горячими» на протяжении всей своей истории, тогда как компактные системы малых планет у звезд солнечного типа живут гораздо спокойнее, напоминая этим нашу Солнечную систему. Таким образом, архитектура планетной системы это не случайность и не только результат эволюции, а во многом наследственная черта, заложенная при рождении.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях