Астрономы показали образование планет в двойных системах

Исследователи из Кембриджского университета и Института внеземной физики Макса Планка показали, как экзопланеты в двойных звездных системах 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 Роман Рафиков из Кембриджского отделения прикладной математики и теоретической физики.

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

Исследование, опубликованное в журнале Astronomy and Astrophysics, выводит изучение образования планет в двойных системах на новый уровень реализма и объясняет, как могли образоваться планеты, которые 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 прекратится рано, в результате получится каменистая планета, похожая на Землю. Если планета вырастает 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 венчик, динамически взбивая протопланетный диск», - сказал Рафиков.

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

Многие экзопланеты были замечены в двойных системах, поэтому появился вопрос как они туда попали. Некоторые астрономы даже предположили, что эти планеты плавали в межзвездном пространстве и были поглощены гравитацией двойной системы.

Рафиков и Силсби провели серию симуляций для разгадки этой задачки. Они разработали подробную математическую модель роста планет в двойной системе, которая использует реалистичные физические данные и учитывает процессы, которые часто упускаются из виду, например, 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», - сказал Силсби. «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».

«Построенная нами модель объединяет эту работу с предыдущими, чтобы проверить теории образования планет», - сказал Рафиков.

Их модель показала, что планеты могут образовываться в двойных системах, таких как Альфа Центавра, при условии, что планетезимали вначале 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. Нестабильность является коллективным эффектом, вовлекающим множество твердых частиц в газ, который способен концентрировать частицы пыли размером от гальки 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 «Татуин» - экзопланет, вращающихся вокруг обоих звезд двойной системы, - около дюжины из которых были идентифицированы космическим телескопом НАСА Кеплер.