Ученые построили модель поглощения планет звездами при их превращении в красные гиганты и выделили несколько сценариев, которые различаются механизмами и наблюдаемыми проявлениями, а также итоговым состоянием системы.
Планета, начинающая погружаться в атмосферу красного гиганта, в представлении художника. / © Penn State
Через пять миллиардов лет Солнце превратится в красный гигант и расширится в десятки раз. При этом оно поглотит Меркурий и Венеру, а возможно, и Землю. Другие звезды, за исключением самых маленьких и самых массивных, тоже становятся красными гигантами, поэтому аналогичная судьба постигнет — и уже постигла — множество планет по всей Галактике.
Некоторые экзопланеты обращаются вокруг своих звезд гораздо ближе, чем Меркурий к Солнцу, а массой превосходят Юпитер, и их поглощение должно приводить к драматическим эффектам. Кроме того, астрономам встречались красные гиганты, обогащенные литием. Этот элемент быстро разрушается в звездных недрах, и его наличие в атмосфере звезды «не первой молодости» — несомненный признак недавнего поглощения звездой крупного небесного тела.
Что же происходит во время поглощения планеты своей звездой? Когда звезда расширяется до орбиты планеты, приливные силы резко возрастают. Планета «поднимает волну» за собой в веществе звезды, гравитация волны притягивает планету и тормозит ее (по аналогичной причине Фобос скоро столкнется с Марсом). Планета начинает по спирали снижаться к звезде и оказывается внутри нее.
Удивительно, но результат этой встречи не всегда однозначен. Астрономы находили планеты, обращающиеся по тесным орбитам вокруг гелиевых субкарликов — обнажившихся звездных ядер, в которых еще продолжается термоядерный синтез. Один из примеров такой системы — Kepler-70. Образоваться на своих нынешних орбитах эти планеты не могли, а гелиевые субкарлики формируются из-за преждевременного сброса оболочки красным гигантом.
Все это означает, что планета может не только пережить поглощение, но и «сорвать» с гиганта оболочку, после чего снова оказаться «на воле». Исследователи из Калифорнийского университета (США) во главе с Рикардо Ярсой исследовали, что же происходит с планетой, оказавшейся внутри своей звезды, с помощью компьютерной симуляции.
Отметим, что полная модель поглощения выходит за рамки даже современных возможностей компьютерного моделирования. Объем затрагиваемого планетой пространства в миллионы раз меньше объема красного гиганта, поэтому достаточно точно смоделировать всю систему с одним и тем же разрешением сейчас невозможно.
Тем не менее ученые смогли построить упрощенную модель, позволившую им выделить несколько отличающихся сценариев поглощения. Они ограничили полное моделирование регионом вокруг планеты, а на основе результатов вычисляли влияние процесса на звезду. Выяснилось, что далеко не всегда поглощение проходит для звезды бесследно, а сами планеты при этом могут выживать.
Поначалу планета в использованной модели считается неразрушимой массивной сферой и взаимодействует со звездой несколькими способами. Во-первых, планета расталкивает газ звездной оболочки со своего пути, создавая в нем сверхзвуковую ударную волну. Во-вторых, достаточно массивные планеты притягивают набегающий поток, и этот процесс гравитационного фокусирования создает «кильватерную» волну сжатия — участок уплотненного газа, следующий за планетой по ее орбите внутри звезды и действующий на нее своей гравитацией. Кроме того, планета все так же «поднимает» за собой приливную волну внутри атмосферы звезды.
Все эти процессы тормозят планету. Ее кинетическая и орбитальная энергия при этом переходит в тепловую и выделяется в виде прибавки к светимости звезды. По мере погружения планета встречает все более плотную среду и все более мощные приливные силы, и в некоторый момент предположение о ее «неразрушимости» прекращает действовать.
Если лобовое сопротивление либо приливные силы превосходят «предел прочности» планеты, симуляция регистрирует ее разрушение, а вся оставшаяся кинетическая и орбитальная энергия планеты разом передается звезде.
Чем больше звезда, тем меньше энергия гравитационного связывания ее оболочки и тем легче она отделяется. Отметим, что описываемая модель является консервативной – с ее помощью ученые рассчитали, в каких условиях планета точно сорвет с гиганта оболочку, но более тщательный учет всех эффектов, скорее всего, понизит эту планку.
Результаты симуляции показали, что планета, масса которой превосходит 10 масс Юпитера, полностью срывают оболочку с красного гиганта при погружении в него. Напротив, звезды, которые еще не закончили превращение в красный гигант, имеют гораздо больше шансов остаться целыми. Звезда солнечной массы, расширившаяся до десяти солнечных диаметров, может пережить слияние даже с красным карликом массой в сто масс Юпитера (одну десятую солнечной массы).
Слияние с планетой выделяет колоссальную энергию. Самые тяжелые планеты значительно тормозятся гравитационным фокусированием и приливами, и быстро погружаются вглубь звезды, поэтому энерговыделение оказывается очень сжатым и интенсивным. На пике, продолжающемся около года, светимость звезды может повышаться во много тысяч раз, после чего она остается повышенной в несколько раз еще в течение сотен и тысяч лет.
Прямое наблюдение этого процесса — дело ближайшего будущего: Местная Группа галактик насчитывает триллионы звезд, и среди них найдутся те, что заняты поглощением своих планет прямо сейчас. Вероятно, их сможет отыскать обсерватория имени Веры Рубин, которую введут в строй в 2023 году, и она многократно повысит возможности обнаружения переменных и катастрофических явлений во Вселенной.
