Экзопланеты размером с Юпитер могут формироваться из материала умирающих звезд

В 2020 году международная команда астрономов сообщила об открытии первой в истории экзопланеты, вращающейся вокруг белого карлика WD 1856+534. Она получила обозначение WD 1856+534 b и расположена на расстоянии 80 световых лет от Земли. 

С помощью наблюдений, проведенных космическим телескопом TESS, специалисты выяснили, что WD 1856+534 b по размеру практически сравнима с Юпитером и больше белого карлика примерно в семь раз (радиус «бывший звезды» всего на 40 процентов больше земного). Масса экзопланеты — 13,8 массы Юпитера. 

В дальнейшем удалось узнать, что орбитальный период экзопланеты составляет почти 34 часа, то есть год на ней длится 1,4 дня. Она расположена на расстоянии всего около трех миллионов километров (0,02 астрономической единицы) от белого карлика.

Различного рода физические модели предсказывают, что любая экзопланета, подобравшись столь близко к белому карлику, не должна сохраниться. Обычно планеты формируются на орбите вокруг своих звезд из того же газопылевого диска, из которого рождается само светило, как это произошло в Солнечной системе. Но во время такого процесса не может появиться мир, который располагался бы так близко к будущему белому карлику, поскольку гравитационное притяжение звезд настолько сильно, что разорвало бы молодую планету на части. Однако WD 1856+534 b каким-то образом уцелела, и многие ученые пытаются найти объяснение тому, как появляются подобного рода объекты. 

Белые карлики — финальный этап эволюции звезды. Ими становятся светила, чья масса недостаточна для превращения в нейтронную звезду, а именно — не превышает 10 масс Солнца. После того как эти звезды «обращаются» в красных гигантов и затем сбрасывают свои оболочки, от них остается плотное остывающее ядро, лишенное источников термоядерной энергии. Белые карлики обладают высокой поверхностной гравитацией, а их размер обычно сравним с Землей. В этом случае их масса может составлять от 0,17 до 1,44 массы Солнца.

Ученые, которые в 2020 году открыли WD 1856+534 b, в своей статье предположили, что, скорее всего, гравитация белого карлика притянула экзопланету спустя некоторое время после того, как звезда перестала быть красным гигантом. Иначе от экзопланеты ничего не осталось бы.

Авторы новой научной работы, опубликованной на сайте электронного архива препринтов arXiv, рассказали об иной судьбе WD 1856+534 b. Они полагают, что объект изначально сформировался на орбите WD 1856+534. 

Многие белые карлики образуются в бинарных системах, состоящих из самой «бывшей звезды» и ее компаньона — более крупного светила. Эти тела гравитационно связаны друг с другом и вращаются по замкнутым орбитам вокруг общего центра масс. Если в двойной звездной системе расстояние между объектами небольшое, белый карлик (он обладает высокой поверхностной гравитацией) начнет «перетягивать» вещество звезды-соседки на себя, которая начнет медленно «умирать».

Группа американских астрономов и физиков под руководством Джейсона Нордхауса (Jason Nordhaus) из Рочестерского технологического института построила модель звездной эволюции. Она показала, что «смерть» звезды — компаньона белого карлика WD 1856+534 могла привести к рождению планеты размером с Юпитер.

Согласно моделированию, если бы звезда — соседка белого карлика была правильной массы, то есть чуть меньше Солнца, то два тела сблизились бы настолько, что орбита последнего оказалась бы полностью внутри орбиты более крупного компаньона. По мере того как плотный белый карлик обходил диффузные внешние края соседки, он медленно «всасывал» бы плазму звезды.

В результате вращения белого карлика вокруг него появился бы газопылевой аккреционный диск из вещества компаньона, затем из-за гравитационной неустойчивости диска могла бы сформироваться планета. Остаточный газ впоследствии смела бы энергия движения белого карлика и новой планеты.

Проверить идею команды Нордхауса сложно. Найти доказательства того, что экзопланета образовалась именно из материала умирающей звезды, вряд ли получится. Конечно, можно попробовать исследовать химический состав WD 1856+534 b и WD 1856+534  и попытаться определить степень сходства их элементов, но у астрономов пока нет настолько мощного прибора, который позволил бы провести такого рода исследование.

Экзопланеты вблизи белых карликов достаточно интересны, поскольку «бывшие звезды» относительно холодные, а значит, могут создать на экзопланетах благоприятные условия для известной нам формы жизни. Например, самые старые белые карлики имеют температуру около 2000 кельвинов — почти в два раза меньше, чем у Солнца. Что касается мира WD 1856+534 b, то верхний предел температуры для него почти 17 градусов Цельсия. Это сравнимо с земными показателями.