Астрономи розробили найбільш реалістичну на сьогоднішній день модель освіти планет у подвійних зіркових системах.
Дослідники з Кембриджського університету та Інституту позаземної фізики Макса Планка показали, як екзопланети в подвійних зіркових системах, виявлені космічним телескопом Кеплер, виникли, не будучи зруйнованими в хаотичному середовищі народження.
Вони вивчили тип подвійної системи, в якій менша зірка-компаньйон обертається навколо більшої батьківської зірки приблизно раз на 100 років - наш найближчий сусід, Альфа Центавра, є прикладом такої системи.
«Подібна система була б еквівалентом другого Сонця на місці Урану, що зробило б нашу сонячну систему зовсім іншою», - сказав співавтор роботи Роман Рафіков з Кембриджського відділення прикладної математики і теоретичної фізики.
Він і його співавтор Кедрон Сілсбі з Інституту позаземної фізики Макса Планка виявили, що для утворення планет в цих системах планетезимали - планетарні будівельні блоки, які обертаються навколо молодої зірки - повинні починатися не менше з 10 кілометрів в діаметрі, а диск з пилу, льоду і газу, що оточує зірку, всередині якої утворюються планети, повинен бути відносно круглим.
Дослідження виводить вивчення освіти планет у подвійних системах на новий рівень реалізму і пояснює, як могли утворитися такі планети, багато з яких були виявлені.
Вважається, що формування планет починається з протопланетного диска, що складається в основному з водню, гелію і крихітних частинок льоду і пилу, що обертається навколо молодої зірки. Згідно сучасної провідної теорії формування планет, відомої як акреція ядра, частинки пилу прилипають один до одного, утворюючи в кінцевому підсумку все більш великі тверді тіла.
Якщо процес передчасно припиниться, в результаті вийде кам'яниста планета, схожа на Землю. Якщо планета зросте більше від Землі, то її гравітації достатньо, щоб вловити велику кількість газу з диска, що призведе до утворення газового гіганта, подібного до Юпітера.
«Ця теорія має сенс для планетних систем, сформованих навколо однієї зірки, але формування планет у подвійних системах більш складно, тому що зірка-компаньйон діє як гігантський збивач яєць, динамічно збуджуючи протопланетний диск», - кажуть вчені.
"У системі з однією зіркою частинки в диску рухаються з невеликими швидкостями, тому вони легко злипаються при зіткненні, дозволяючи їм рости. Але через гравітаційний ефект «підіймання яєць» зірки-компаньйона в подвійній системі тверді частинки стикаються один з одним з набагато більшою швидкістю. Тому, коли вони стикаються, вони знищують один одного ".
Багато екзопланетів були помічені в подвійних системах, тому завжди було питання в тому, як вони там утворилися. Деякі астрономи навіть припустили, що, можливо, ці планети плавали в міжзоряному просторі і, наприклад, були поглинуті гравітацією подвійної системи.
Вчені провели серію симуляцій, щоб допомогти розгадати цю загадку. Вони розробили детальну математичну модель зростання планет у подвійній системі, яка використовує реалістичні фізичні дані і враховує процеси, які часто втрачаються з уваги, такі як гравітаційний вплив газового диска на рух планетезималей всередині нього.
«Відомо, що диск безпосередньо впливає на планетезималі за рахунок опору газу, діючи як свого роду вітер», - кажуть дослідники. «Кілька років тому ми зрозуміли, що крім опору газу, гравітація самого диска різко змінює динаміку планетезималей, в деяких випадках дозволяючи планетам формуватися навіть незважаючи на гравітаційні обурення, викликані зоряним супутником».
Модель показала, що планети можуть утворюватися в подвійних системах, таких як Альфа Центавра, за умови, що планетезимали спочатку мають розмір не менше 10 кілометрів, а сам протопланетний диск близький до круглого, без серйозних відхилень. Коли ці умови виконуються, планетезимали в певних частинах диска в кінцевому підсумку рухаються досить повільно щодо один одного, щоб злипатися, а не руйнувати один одного.
Ці дані підтверджують особливий механізм утворення планетезималей, званий потоковою нестабільністю, який є невід'ємною частиною процесу формування планет. Ця нестабільність є колективним ефектом, що залучає в рух безліч твердих частинок у присутності газу, який здатний концентрувати частинки пилу розміром від камінця до валуна, щоб виробити кілька великих планетезималей, які переживуть більшість зіткнень.
Результати цієї роботи забезпечують важливу інформацію для теорій освіти планет навколо подвійних та одиночних зірок, а також для гідродинамічного моделювання протопланетних дисків у подвійних системах.
У майбутньому цю модель можна буде використовувати для пояснення походження планет типу «Татуїн» - екзопланет, що обертаються навколо обох компонентів подвійної системи, - близько десяти з яких були ідентифіковані космічним телескопом Кеплер.
Дослідження було опубліковано в журналі Astronomy & Astrophysics.
