Новая модель показала, как формируются экзопланеты в двойных звездных системах

Астрономы разработали наиболее реалистичную на сегодняшний день модель образования планет в двойных звездных системах.

Исследователи из Кембриджского университета и Института внеземной физики Макса Планка показали, как экзопланеты в двойных звездных системах, обнаруженные космическим телескопом Кеплер, возникли, не будучи разрушенными в хаотичной среде рождения.

Они изучили тип двойной 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.

«Подобная система была бы эквивалентом второго Солнца на месте Урана, что сделало бы нашу солнечную систему совсем другой», — сказал соавтор работы Роман Рафиков из Кембриджского отделения прикладной математики и теоретической физики.

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

Исследование выводит изучение образования планет в двойных системах на новый уровень реализма и объясняет, как могли образоваться такие планеты, многие из которых были обнаружены.

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 ведущей теории формирования планет, известной как аккреция ядра, частицы пыли прилипают друг к другу, образуя в конечном итоге все более крупные твердые тела.

Если процесс преждевременно прекратится, в результате получится каменистая планета, похожая на Землю. Если планета вырастет больше Земли, то ее гравитации достаточно, чтобы уловить большое 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 более сложно, потому что звезда-компаньон действует как гигантский взбиватель яиц, динамически возбуждая протопланетный диск», — говорят ученые.

«В системе с одной звездой частицы в диске движутся с небольшими скоростями, поэтому они легко слипаются при столкновении, позволяя им расти. Но из-за гравитационного эффекта «взбивания яиц» звезды-компаньона в двойной системе твердые частицы сталкиваются друг с другом с гораздо большей скоростью. Поэтому, когда они сталкиваются, они уничтожают друг друга».

Многие экзопланеты были замечены в двойных системах, поэтому всегда был вопрос в том, как они там образовались. Некоторые астрономы даже предположили, что, возможно, эти планеты плавали в межзвездном пространстве и, например, были поглощены гравитацией двойной системы.

Ученые провели серию симуляций, чтобы помочь 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 влияет на планетезимали за счет сопротивления газа, действуя как своего рода ветер», — говорят исследователи. «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 звездным спутником».

Модель показала, что планеты могут образовываться в двойных системах, таких как Альфа Центавра, при условии, что планетезимали вначале имеют размер не менее 10 километров, а сам протопланетный диск близок к круглому, без серьезных отклонений. Когда эти условия выполняются, планетезимали в определенных частях диска в конечном итоге движутся достаточно медленно относительно друг друга, чтобы слипаться, а не разрушать друг друга.

Эти данные подтверждают особый механизм образования планетезималей, называемый потоковой нестабильностью, который является неотъемлемой частью процесса формирования планет. Эта нестабильность является коллективным эффектом, вовлекающим в движение множество твердых частиц в присутствии газа, который способен концентрировать частицы пыли размером от камешка до валуна, чтобы произвести несколько больших планетезималей, которые переживут большинство столкновений.

Результаты этой работы обеспечивают важную информацию для теорий образования планет вокруг двойных и одиночных звезд, а также для гидродинамического моделирования протопланетных дисков в двойных системах.

В будущем эту модель можно будет использовать для объяснения происхождения планет типа «Татуин» — экзопланет, вращающихся вокруг обоих компонентов двойной системы, — около десяти из которых были идентифицированы космическим телескопом Кеплер.