Astronomowie znaleźli trzy układy, które przeczą dotychczasowym modelom. Planety nie powinny przetrwać ewolucji swoich gwiazd. Co więc się tam wydarzyło?
Trzy planety krążą wokół gwiazd, które zgodnie z dotychczasowymi modelami powinny były je pochłonąć. Ich gwiazdy rozrosły się kiedyś do ogromnych rozmiarów, a następnie skurczyły. Dziwi jednak to, iż dzisiejsze orbity planet znajdują się wewnątrz obszarów, które wcześniej zajmowały rozgrzane gwiezdne otoczki.
Astronomowie z Chin przeanalizowali trzy układy planetarne i odkryli, iż wszystkie przeczą znanemu nam scenariuszowi ewolucji gwiazd podobnych do Słońca. W jednym z nich planeta wykonuje pełny obieg w zaledwie 30 dni. Naukowcy podejrzewają, iż w historii tych układów musiało wydarzyć się coś, czego obecne modele nie uwzględniają.
Trzy planety w miejscu, w którym nie powinno ich być
Zespół kierowany przez Wen-Xu Lina i Sheng-Banga Qiana z Uniwersytetu Yunnan przeanalizował trzy znane układy planetarne: 24 Boo, HD 12648 oraz TYC 4282-605-1. Wyniki badania opublikowanego w czasopiśmie PNAS wskazują, iż wszystkie trzy gwiazdy przeszły już przez etap największego rozszerzenia, charakterystyczny dla czerwonych olbrzymów.
Takie gwiazdy mogą pochłaniać znajdujące się blisko nich planety. Kiedy gwiazda podobna do Słońca wyczerpuje wodór w jądrze, jej zewnętrzne warstwy zaczynają się rozszerzać. Promień może wzrosnąć dziesiątki, a choćby setki razy, obejmując przestrzeń, w której wcześniej krążyły planety.
Naukowcy ustalili jednak, iż badane gwiazdy mają już ten etap za sobą. w tej chwili należą do tzw. czerwonej gromady olbrzymów, czyli grupy gwiazd spalających hel w swoich jądrach. Osiągnęły więc wcześniej ogromne rozmiary, po czym ich zewnętrzne warstwy ponownie się skurczyły.
Porównanie maksymalnych rozmiarów tych gwiazd z obecnymi orbitami planet ujawniło zaskakującą sprzeczność. Wszystkie trzy planety znajdują się dziś bliżej swoich gwiazd, niż sięgały ich zewnętrzne warstwy podczas wcześniejszego rozszerzania. Gdyby planety znajdowały się wtedy na obecnych orbitach, powinny zostać pochłonięte.
Jedna z planet okrąża gwiazdę w zaledwie 30 dni
Najbardziej spektakularnym przykładem przytoczonym przez badaczy jest 24 Boo b, czyli planeta krążąca wokół gwiazdy 24 Boötis w gwiazdozbiorze Wolarza. Pełny obieg zajmuje jej około 30 dni, a średnia odległość od gwiazdy wynosi zaledwie 0,183 jednostki astronomicznej. To około 27,4 mln km, czyli mniej niż jedna piąta dystansu dzielącego Ziemię od Słońca. Według autorów jest to najbliższa swojej gwieździe planeta spośród znanych obiektów orbitujących wokół olbrzymów spalających hel w jądrze.
Pozostałe dwa przypadki również są niezwykłe. HD 12648 b krąży w odległości około 0,516 jednostki astronomicznej, natomiast TYC 4282-605-1 b w odległości około 0,488 jednostki astronomicznej. W obu układach modele wskazują, iż gwiazdy rozszerzały się wcześniej poza dzisiejsze orbity planet.
Co istotne, astronomowie nie odkryli teraz trzech zupełnie nowych planet. HD 12648 b została zidentyfikowana w 2015 r., TYC 4282-605-1 b w 2017 r., a 24 Boo b w 2018 r. Nowością jest natomiast dokładniejsze ustalenie stadium ewolucji ich gwiazd, które zmienia sposób interpretowania historii całych układów.
Naukowcy zajrzeli do wnętrza gwiazd. Pomogły ich drgania
Rozstrzygnięcie zagadki wymagało przede wszystkim ustalenia, czy gwiazdy dopiero się rozszerzają, czy mają już za sobą ten etap. Na podstawie samej temperatury i jasności nie zawsze można odróżnić te dwa stany, ponieważ czerwony olbrzym w różnych fazach ewolucji potrafi wyglądać bardzo podobnie.
Badacze wykorzystali dane z kosmicznego teleskopu TESS, który rejestruje niewielkie zmiany jasności gwiazd. Dzięki metodzie zwanej asterosejsmologią mogli zbadać ich naturalne drgania. Podobnie jak sejsmolodzy odczytują strukturę wnętrza Ziemi z fal sejsmicznych, astronomowie analizują drgania, aby poznać budowę i stadium rozwoju gwiazdy.
W przypadku trzech badanych obiektów charakterystyczne częstotliwości drgań wskazały, iż w ich jądrach zachodzi już spalanie helu. To mocna przesłanka za tym, iż etap największego rozszerzenia rzeczywiście należy do przeszłości.
Następnie naukowcy wykorzystali modele ewolucji gwiazd, aby oszacować ich dawne rozmiary. Dane porównano z parametrami orbit planet, wyznaczanymi na podstawie pomiarów prędkości radialnych, czyli niewielkich zmian ruchu gwiazdy wywoływanych przyciąganiem grawitacyjnym towarzyszącej jej planety. Wyniki we wszystkich trzech przypadkach prowadziły do tego samego wniosku: obecne położenie planet trudno pogodzić z historią ich gwiazd przewidywaną przez standardowe modele.
Jak przetrwać pochłonięcie przez gwiazdę? Jest kilka możliwości
Najważniejsze pytanie brzmi, czy planety rzeczywiście znajdowały się na swoich dzisiejszych orbitach w czasie największego rozszerzenia gwiazd. Tego astronomowie nie wiedzą. Obserwacje potwierdzają obecność planet i stadium ewolucji ich gwiazd, ale nie pokazują bezpośrednio, jak wyglądały orbity miliardy lat temu.
Jednym z możliwych wyjaśnień jest migracja orbitalna. Planety mogły wcześniej krążyć w większej odległości, uniknąć pochłonięcia, a dopiero później przemieścić się bliżej gwiazd wskutek oddziaływań grawitacyjnych. Badacze rozważają również bardziej skomplikowaną historię samych gwiazd. o ile niektóre z nich powstały w wyniku połączenia dwóch gwiazd, ich ewolucja mogła przebiegać inaczej, niż zakładają modele opisujące pojedyncze obiekty.
Istnieje też możliwość, iż część planet uformowała się dopiero po takim wydarzeniu, z materii pozostawionej wokół gwiazdy. To jednak hipotezy wymagające dalszych obserwacji, a nie potwierdzone wyjaśnienia historii trzech układów.
Na Spider’s Web niedawno opisywaliśmy symulacje pokazujące, iż niektóre planety mogą przetrwać pochłonięcie przez rozrastającą się gwiazdę. Tamto badanie dotyczyło jednak przejścia przez wspólną otoczkę i późniejszej ewolucji ku białemu karłowi. Najnowsza praca analizuje rzeczywiste układy gwiazd, które przez cały czas spalają hel.
Słońce też kiedyś urośnie
Odkrycie pomaga też przewidywać przyszłość Układu Słonecznego. Za około 5 mld lat Słońce zacznie wchodzić w późne etapy ewolucji, a potem rozrośnie się do czerwonego olbrzyma. Merkury i Wenus niemal na pewno zostaną pochłonięte, więc przyszłość samej Ziemi zależy natomiast od kilku konkurujących ze sobą procesów.
Słońce będzie stopniowo tracić masę, co może powodować rozszerzanie się ziemskiej orbity. Jednocześnie oddziaływania pływowe mogą przyciągać planetę ku rozrastającej się gwieździe. Na Spider’s Web opisywaliśmy już planety, które znalazły się na niezwykle ciasnych orbitach po śmierci swoich gwiazd.
Z najnowszego odkrycia nie wynika jednak, iż Ziemia ma większe szanse na przetrwanie. Nie wiadomo nawet, czy trzy badane planety rzeczywiście przetrwały bezpośredni kontakt z otoczką gwiazdy. W dodatku warunki sprzyjające życiu znikną z naszej planety znacznie wcześniej, zanim Słońce osiągnie maksymalne rozmiary. Dotąd astronomowie znali tylko jeden podobny przypadek: planetę na orbicie niezgodnej z przewidywaną historią jej gwiazdy. Teraz znamy już cztery takie układy.
*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI
