Загибель екзопланет допомогла з’ясувати, з чого вони складаються

Астрономи розпочали вивчення нового аспекту існування екзопланет – їхньої смерті. Ціла низка досліджень цього процесу, поведена в останні роки дозволила чимало дізнатися про їхній хімічний склад. Головний висновок із цих досліджень – планети, схожі на Землю, надзвичайно розповсюджені в космосі.

Відкриття металів на білих карликах

Усе розпочалося 2015 року, коли Ендрю Вандербург та його колеги з Гарвард-Смітсоніанського центру астрофізики досліджували зірку WD 1145+017 у пошуках слідів об’єктів, які можуть обертатися навколо неї. Ця зірка знаходиться на відстані 570 світлових років від нас у напрямку сузір’я Діви. Колись дуже давно WD 1145+017 була схожа на наше Сонце, однак вона вичерпала свої запаси водню та перетворилася на червоного гіганта.

Далі зовнішні оболонки зорі відділилися від неї та були скинуті у космос. А внутрішні шари стиснулися до розмірів Землі. Утворилася крихітна, надзвичайно яскрава та щільна зоря – білий карлик. У цій події немає нічого незвичайного, адже такий фінал чекає на всі зорі сонячної маси. Що при цьому відбувається з планетами системи досі залишається питанням до обговорення.

Спектр білого карлика
Спектр білого карлика з чіткими лініями поглинання водню (червоні). Джерело: SDSS Collaboration

Зазвичай, білі карлики демонструють надзвичайно рівний спектр, у якому крім водню та гелію з поверхневих шарів, а також кисню та вуглецю з більш глибоких, нічого немає. Однак від однієї чверті до половини білих карликів містять у своєму спектрі лінії значно важчих елементів. І комбінація цих елементів дуже нагадує ту, яку ми бачимо на планетах земної групи. Крім того, приблизно 4 відсотки білих карликів мають навколо себе газопилові диски.

Система карликових планет

Саме до таких білих карликів і належить WD 1145+017, тому астрономам було дуже цікаво дізнатися, чи є у газопиловому диску цієї зорі достатньо великі диски. Для цього вони використовували дані космічного телескопа Кеплер та поєднали їх із даними наземних телескопів. Результатом цих досліджень став графік світності зорі протягом кількох діб. І на цьому графіку чітко виділялися шість піків, які повторювалися з періодами від 4,5 до 5 годин.

Це означало, що десь у газопиловому диску навколо білого карлика обертаються шість об’єктів, схожих за розмірами на карликові планети Сонячної системи, такі як Церера та Гаумеа.

Руйнування астероїда в полі гравітації білого карлика
Художнє зображення подібного на Цереру об’єкта, який руйнується під дією гравітації білого карлика. Джерело: Mark A. Garlick / markgarlick.com

Успіх був настільки повним, що вчені навіть вирішили перевірити, чи може взагалі існувати настільки щільна система карликових планет. Вони змоделювали таку систему на комп’ютері та дійшли висновку, що існує принаймні мільйон комбінацій орбіт, які дозволяють такій системі відносно стабільно існувати. При цьому це мають бути скелясті, чи, принаймні, скелясто-водні тіла з середньою густиною не менше 2 грамів на сантиметр кубічний, інакше б вони вже були зруйновані.

Планета, яку розриває власна зірка

Крива транзиту планети у системі білого карлика.
Крива транзиту планети в системі білого карлика. Джерело: CfA/A. Vanderburg

Але найцікавіше було попереду. Найближчому до зорі об’єкту відповідало зниження яскравості майже на 40 відсотків. Тривало воно усього кілька хвилин та повторювалося кожні 4,5 години. Для того, щоб утворився такий ефект, об’єкт мав бути розміром приблизно з Цереру, але знаходитися на відстані близько 837 тисяч км від зорі – всього в 2-3 рази віддаленішим, ніж місяць від Землі.

Коли криву транзиту вивчили більш докладно, то виявили, що падіння яскравості відбувається різко, як і слід чекати від невеликого твердого тіла. А ось після піку крива надзвичайно похила, що властиво скоріше для спостереження комет. Це могло означати тільки одне – астрономи спостерігали тіло, що саме перетинало свою власну межу Роша.

Межа Роша
Схематичне зображення об’єкта, який перетинає межу Роша. Джерело: Theresa Knott, CC BY-SA 3.0

Межа Роша визначає відстань від меншого тіла до більшого, при якій різниця дії сил тяжіння на точку меншого тіла, що є найближчою до більшого та на найбільш віддалену стає настільки великою, що руйнує це тіло. Простіше кажучи, Вандербург із колегами спостерігали, як білий карлик розриває на шматки карликову планету, що оберталася поряд.

Власне, це спостереження багато в чому підтвердило підозри вчених щодо того, звідки в спектрах білих карликів беруться лінії металів. Вони дійсно отримують їх від поглинутих кам’яних тіл. Однак найцікавіший висновок, який вчені зробили в результаті цього дослідження – це те, що у випадках загибелі планети від дії гравітації білого карлика стає видно, з чого вона складалася. Завіси з уламків світів, що гинуть, виявляються настільки широкими, що ми можемо застосувати щодо них вже наявні в нас спектроскопи, щоб дізнатися, з чого вони складалися.

З чого складаються екзопланети?

Тож далі астрономи вже цілеспрямовано почали вдивлятися в крихітні піки від малих об’єктів, що обертаються навколо білих карликів.

У 2017 році група дослідників із Європейської південної обсерваторії вивчала пояс зі скелясто-крижаних тіл, що обертаються навколо білого карлика WD 1425+540, який знаходиться на відстані 170 світлових років від нас у напрямку сузір’я Волопаса. Для цього вони використали космічний телескоп Габбл та телескоп Кек на Гаваях.

Художнє про систему білого карлика із газопиловим диском
Художнє про систему білого карлика із газопиловим диском. Джерело: NASA

Вчені не тільки змогли побачити процес руйнування карликової планети, але й дослідили хімічний склад цього тіла за допомогою спектрографа. Він виявився дуже схожим на склад комети Галея, тільки води у складі далекого крижаного тіла було більше, а йогом маса приблизно в 100 тисяч разів перевищувала масу комети.

Важливість цього спостереження важко перебільшити. Ще донедавна сама наявність води десь в околицях іншої зорі стала б сенсацією. Тепер же вчені отримали результати, які свідчать про те, що крім води в системі WD 1425+540 присутні також нітроген, карбон, оксиген, силіцій, сірка, залізо, нікель та гідроген. Усі вони є тими цеглинками, які  утворюють життя на Землі. Навіть більше, виявилося, що в системі першого ж з досліджених білих карликів ці елементи присутні приблизно в тому ж співвідношенні, що й у нашій системі.

Це можна вважати найважливішим відкриттям із моменту відкриття екзопланет. Раніше, говорячи про те, що екзопланети такого ж розміру та маси, як і Земля можуть бути схожими на неї, вчені кожного разу обмовлялися, що це – тільки за умови, якщо їхній хімічний склад схожий. Схоже, що тепер щодо складу ми можемо говорити більш впевнено.

У гру вступає “Гая”

Однак, можливо, нам просто пощастило, й інші системи білих карликів зовсім не схожі на WD 1425+540?

У серпні 2018 року ця ж група з Європейської південної обсерваторії повідомила, що вони продовжують свої дослідження і майже впевнені в тому, що висновок про типовість хімічного складу Сонячної системи вірний. Білі карлики на сьогодні виявилися найкращим джерелом знань про те, що собою являють екзопланетні системи. Однак для  подальших досліджень необхідно більше спостережень.

Зоряна карта Gaia - 2 реліз
Гая поступово здійснює галактичний перепис зір. Верхнє зображення показує загальну щільність зір, а нижнє – міжзоряний пил, що наповнює Галактику. Джерело: ESA/Gaia/DPAC

Зараз ця група працює з даними космічного апарата “Гая”. Цей космічний телескоп був виведений у космос з зовсім іншою метою. “Гая” – найамбітніший зоряний картографічний проект в історії людства.

Інформація про 99% відомих людству об’єктів у нашій Галактиці була вперше опублікована в звіті про роботу “Гаї” навесні 2018 року. Крім позиції зір у просторі та їхніх швидкості, цей телескоп також фіксує спектри випромінювання об’єктів. База даних Гаї, яка містить інформацію про 1,7 мільярда зір – справжня скарбниця для тих, хто вивчає екзопланети. Цілком можливо, що у найближчі роки найважливіші висновки про те, як влаштовано Всесвіт, будуть отримані саме завдяки цьому телескопу.

Водночас, нові відкриття мають принаймні один досить дивний наслідок. Вода, в нашому розумінні, остаточно перестала бути чимось унікальним та притаманним лише Землі. Дані Кеплера та Гаї свідчать про те, що у Галактиці є безліч планет, маса води в складі яких становить понад 50%, у той час як для Землі цей показник становить лише 0,02%.

Водні надземлі

Лі Женг з Гарвардського університету нещодавно оприлюднив результати дослідження того, з яких матеріалів складаються вже відомі, схожі за розміром на Землю, екзопланети. Тепер, коли типовість Сонячної системи з точки зору елементного складу доведена, розмірковувати про це можна більш-менш точно.

Землеподібні екзопланети
Землеподібні екзопланети в уявленні художника. Джерело: NASA

Річ у тім, що вказані планети розподіляються на дві великі групи: ті, що групуються навколо маси в 1,5 земної та група з середнім радіусом у 2,5 земного. Група Лі Женга дійшла висновку, що перша група схожа на Землю, тобто це переважно кам’янисті світи, маса води на яких складає долі відсотка.

Водночас, схоже на те, що друга група світів являє собою планети, більш значна частина яких припадає на воду. Це так звані “водні світи”, прямого аналога яким у Сонячній системі немає, а найбільше на них схожий Нептун. Щоправда, вода на цих планетах зовсім не схожа на ту, яку ми можемо побачити на Землі або на Нептуні. Верхні шари цих планет часто розігріті до температури у 200-500 градусів за Цельсієм, тому атмосфера цих планет складається з гарячої водяної пари. Під нею лежить океан, глибина якого може сягати сотень кілометрів. На великій глибині океан може переходити у шар криги, яка існує в умовах високої температури та тиску.

Чого немає у Сонячній системі?

Загалом, можна сказати, що останні дослідження значно змінюють наші уявлення про місце та унікальність Сонячної системи.

Ми звикли вважати, що наш світ є унікальним завдяки наявності того, чого немає біля інших зір: води, твердої поверхні, хімічних елементів, необхідних для існування життя. Але все більше й більше вказує на те, що планети Сонячної системи схожі на тисячі інших по усій Галактиці, і швидше треба спитати, чому біля нас немає тих чи інших розповсюджених типів планет, таких як “гарячі Юпітери” та “водні надземлі”?

Двадцяте століття привчило нас до думки про Землю як про унікальну планету, блакить морів якої видна звідусіль і змушує назвати її Океаном. Однак схоже на те, що насправді Сонячна система достатньо бідна на воду і, можливо, на інші важливі речовини. Цілком може статися так, що десь є й інші, значно багатші світи.

Nature (2015), DOI: 10.1038/nature15527; The Astrophysical Journal Letters (2017). DOI: 10.3847/2041-8213/836/1/L7; Goldschmidt Conference (2018).

Сподобалась стаття? Придбайте нам , а ми напишемо ще.
Повідомити про помилку: підкресліть текст та натисніть CTRL+Enter або
Олександр Бурлака
  • 52 записів
  • 0 дописів
Олександр займається популяризацією науки, веде блоги та працює викладачем у Харківському національному технічному університеті сільського господарства ім. Петра Василенка. Має ступінь кандидата технічних наук.