Astronomowie pokazują, jak planety powstają w układach podwójnych i nie ulegają zniszczeniu

Astronomowie opracowali najbardziej realistyczny jak dotąd model formowania się planet w układach podwójnych gwiazd.

Zespół naukowców pokazał, w jaki sposób egzoplanety w układach podwójnych gwiazd – takie jak planety „Tatooine” dostrzeżone przez Kosmiczny Teleskop Keplera – powstały bez zniszczenia w chaotycznym środowisku narodzin.

Badali oni typ układu podwójnego, w którym mniejsza gwiazda towarzysząca okrąża większą gwiazdę macierzystą mniej więcej raz na 100 lat – nasz najbliższy sąsiad, Alfa Centauri, jest przykładem takiego układu.

Dr Roman Rafikov z Wydziału Matematyki Stosowanej i Fizyki Teoretycznej w Cambridge i współautor pracy dr Kedron Silsbee z Instytutu Fizyki Pozaziemskiej Maxa Plancka odkryli, że aby w tych układach podwójnych mogły powstać planety, planetozymale – planetarne bloki konstrukcyjne orbitujące wokół młodej gwiazdy – muszą mieć na początku średnicę co najmniej 10 km, a dysk pyłu, lodu i gazu otaczającego gwiazdę, w którym tworzą się planety, musi być stosunkowo okrągły.

Badania, które zostały opublikowane w Astronomy and Astrophysics, wprowadzają studia nad formowaniem się planet w układach podwójnych na nowy poziom realizmu i wyjaśniają, w jaki sposób takie planety, których pewna liczba została wykryta, mogły się uformować.

Uważa się, że formowanie się planet rozpoczyna się w dysku protoplanetarnym – zbudowanym głównie z wodoru, helu oraz drobnych cząsteczek lodu i pyłu – krążącym wokół młodej gwiazdy. Zgodnie z wiodącą obecnie teorią powstawania planet, zwaną akrecją jądra, cząsteczki pyłu przylegają do siebie i tworzą w końcu coraz większe ciała stałe. Jeżeli proces ten zatrzyma się wcześnie, rezultatem może być skalista planeta podobna do Ziemi. Jeżeli planeta stanie się większa od Ziemi, jej grawitacja będzie wystarczająca, aby uwięzić dużą ilość gazu z dysku, co doprowadzi do powstania gazowego olbrzyma takiego jak Jowisz.

Teoria ta ma sens w przypadku układów planetarnych formujących się wokół pojedynczej gwiazdy, ale formowanie się planet w układach podwójnych jest bardziej skomplikowane, ponieważ gwiazda towarzysząca działa jak olbrzymia trzepaczka do jajek, dynamicznie pobudzając dysk protoplanetarny – powiedział Rafikov.

W układzie z pojedynczą gwiazdą cząsteczki z dysku poruszają się z małymi prędkościami, więc łatwo sklejają się ze sobą podczas zderzenia, co pozwala im rosnąć – powiedział Silsbee. Ale z powodu grawitacyjnego efektu „ubijacza jaj” przez towarzyszącą gwiazdę w układzie podwójnym, stałe cząsteczki zderzają się tam ze sobą z dużo większą prędkością. Tak więc kiedy się zdarzają, niszczą się wzajemnie.

Wiele egzoplanet zostało zauważonych w układach podwójnych, więc pojawia się pytanie, jak się tam znalazły. Niektórzy astronomowie sugerują nawet, że być może planety te unosiły się w przestrzeni międzygwiazdowej i zostały wessane przez grawitację układu podwójnego.

Rafikov i Silsbee przeprowadzili serię symulacji, aby pomóc w rozwiązaniu tej zagadki. Stworzyli szczegółowy model matematyczny wzrostu planet w układzie podwójnym wykorzystującym realistyczne dane fizyczne i uwzględniającym procesy, które często są pomijane takie jak grawitacyjny wpływ dysku gazowego na ruch planet w nich zawartych.

Ich model wykazał, że planety mogą powstawać w układach podwójnych takich jak Alfa Centauri, pod warunkiem, że rozmiary planetozymali zaczynają się od co najmniej 10 km średnicy, a sam dysk protoplanetarny jest zbliżony do kołowego, bez większych nieregularności. Gdy te warunki są spełnione, planetozymale w pewnych częściach dysku poruszają się na tyle wolno względem siebie, że zamiast niszczyć, sklejają się ze sobą.

Odkrycia te pokazują, że szczególny mechanizm powstawania planet, zwany niestabilnością strumieniową, jest integralną częścią procesu formowania się planet. Niestabilność ta jest efektem kolektywnym, obejmującym wiele cząstek stałych w obecności gazu będącego w stanie skupić ziarna pyłu o rozmiarach od kamyka do głazu, i tworzy kilka różnych planetozymali, które przetrwają większość zderzeń.

Wyniki tej pracy dostarczają ważnych spostrzeżeń dla teorii powstawania planet zarówno wokół gwiazd podwójnych, jak i pojedynczych, a także dla symulacji hydrodynamicznych dysków protoplanetarnych w układach podwójnych. W przyszłości model ten może być również użyty do wyjaśnienia pochodzenia planet typu „Tatooine” – egzoplanet krążących wokół obu składników układu podwójnego – których około tuzin został zidentyfikowany przez Kosmiczny Teleskop Keplera.

Więcej informacji: