Неоновая дистилляция обеспечила планетам у белых карликов долгую обитаемость

В конце жизни массивные звезды превращаются в звезды нейтронные или даже черные дыры. Но если светило существенно легче 10 масс Солнца, ему не хватит массы для такого превращения. Так обстоит дело и с нашим Солнцем. В итоге звезда сбросит внешние оболочки (в фазе красного сверхгиганта), затем станет белым карликом. Их плотность — от ста килограммов до тысячи тонн на кубический сантиметр (чайная ложка такой материи будет весить как крупное строение). Иными словами, они плотнее любого вещества на Земле и в миллион раз плотнее обычной звезды. Это становится возможным из-за разрушения электронных оболочек атомов в белых карликах: они состоят из плазмы, в которой смешаны атомные ядра и электроны (но последние не находятся на «орбитах» вокруг атомов, как в обычном веществе).

Астрономы давно искали и со временем обнаружили планеты у некоторых белых карликов. Однако большинство исследователей полагали, что такие тела безжизненны. Термоядерных реакций в белых карликах нет, поэтому они постоянно остывают. К примеру, WD 0346+246 в сотне световых лет от Земли уже остыл ниже 4000 градусов, хотя начинать должен был с температуры как минимум в десятки тысяч градусов. Иными словами, если когда-то на планетах рядом с ним и было достаточно тепло для возникновения жизни, это время быстро закончилось.

Исследователи из США, Великобритании и Канады обратили внимание на то, что примерно 6% известных белых карликов не показывают следов быстрой потери светимости (то есть остывания). Они будто поставили свое «старение» на паузу, что влияет на потенциальную обитаемость их планетных систем. С текстом работы можно ознакомиться на сервере препринтов Корнеллского университета (США).

Ученые отметили, что такая пауза характерна для массивных белых карликов — массой в одну солнечную и чуть выше (белых карликов массивнее 1,4 Солнца не существует). Подобные тела образуются в конце эволюции звезд «тяжелее» восьми солнечных или при слиянии пары белых карликов меньшей массы. Из-за массивности и большего давления в недрах их звезд-предшественниц, термоядерные реакции там шли не до стадии водород + водород=гелий, а до углерода и дальше, вплоть до кислорода и неона-22.

По современным астрофизическим представлениям, пауза в остывании белых карликов может быть результатом «неоновой дистилляции». Naked Science писал о таком процессе: внутри светила образуются кристаллы, бедные неоном-22 — самым тяжелым из массовых элементов внутри белых карликов. Такие кристаллы легче окружающей среды, поэтому из ядра звезды всплывают к ее поверхности. На их место приходит ядерно-электронная плазма, более богатая ядрами атомов неона (более тяжелая). В итоге внутренние области белого карлика становятся куда более плотными. Рост гравитационного потенциала в ядре заставляет карлик слегка сжиматься, что дает ему дополнительную тепловую энергию и тормозит остывание.

Авторы новой работы рассказали, что такое неоновое торможение ведет к образованию длительных устойчивых обитаемых зон. На 8-10 миллиардов лет приток излучения от белых карликов стабилизируется. Значит, планеты, существующие вокруг них, не рискуют стать слишком холодными для жизни до того, как она станет достаточно сложной.

Дополнительный плюс белых карликов с неоновой дистилляцией: они существенно упрощают удержание своими планетами океанов. Для обычных белых карликов в теории тоже возможно длительное нахождение в зоне положительных температур, но только если планета будет постепенно, по мере остывания своего светила, мигрировать с более далеких орбит (где она была до превращения своей звезды в белый карлик) на более близкие.

Но в таком сценарии планета неизбежно будет активно терять воду. Ведь у белого карлика настолько высокая плотность, что нужное сближение с ним вызовет мощный приливный разогрев у планеты. Это сделает ее безводной, особенно если белый карлик массивный (в одну солнечную массу или больше).

Напротив, в случае неоновой паузы подобное сближение не нужно для сохранения положительных температур на планете. Следовательно, не будет нужды и в сценарии сближения со слишком сильным приливным разогревом. По расчетам авторов нового исследования, миры вокруг «неоновых» белых карликов сохраняют обитаемость до 8-10 миллиардов лет. Это больше, чем время обитаемости Земли. Нашей планете — 4,5 миллиарда лет, без антропогенных модификаций она станет непригодной для сложной жизни уже через миллиард лет (из-за роста светимости ее звезды). Получается, неоновая дистилляция способна сделать часть белых карликов лучшим светилом для жизни, чем Солнце.