Astronomowie podobnie jak miłośnicy fantastyki naukowej byli zachwyceni odkryciem planet krążących po stabilnych orbitach wokół gwiazdowych układów podwójnych. Aktualnie znamy ich kilkanaście. Jednak jeszcze nie odkryto żadnej planety poruszającej się prostopadle do płaszczyzny orbity macierzystego układu gwiazdowego. Czy mogą powstać i przetrwać w tych warunkach planety? Został opublikowany w październikowym ApJ Letters artykuł analizujący teoretycznie taki przypadek.
W ostatnim dwudziestoleciu odkryto tysiące planet krążących wokół innych gwiazd niż nasze Słońce. Niektóre z tych planet poruszają się wokół dwóch gwiazd podobnie, jak fikcyjna planeta Tatooine – ojczyzna Luka Skywalker’a – bohatera „Gwiezdnych Wojen”.
Ogromna większość dysków protoplanetarnych obserwowanych wokół gwiazdowych układów podwójnych leży w płaszczyźnie orbity składników gwiazdowych. Wynika to z zasady zachowania momentu pędu w czasie zapadania się obłoków gazowych i powstawania układu podwójnego wraz z otaczającymi go dyskami protoplanetarnymi.
Odkryto również gwiazdowe układy podwójne o rozciągniętych, eliptycznych orbitach, w których istnieją dyski protoplanetarne prostopadłe do płaszczyzny orbity układu podwójnego. Te obserwacje sugerują, że mogą istnieć planety poruszające się prostopadle do płaszczyzny orbity układu podwójnego. Jednak jeszcze nie odkryto takiej planety.
Zgodnie z teorią możliwe są następujące stabilne nachylenia dysków protoplanetarnych względem podwójnych układów gwiazdowych o eliptycznych orbitach:
a) w płaszczyźnie orbity macierzystego układu gwiazdowego;
b) prostopadle do płaszczyzny orbity macierzystego układu gwiazdowego tak, aby orbitalny moment pędu dysku był skierowany wzdłuż dużej półosi orbity eliptycznej układu gwiazdowego.
Większość dysków protoplanetarnych (kolor pomarańczowy) otaczających gwiazdowe układy podwójne znajduje się w płaszczyźnie orbity układu podwójnego (np. po prawej stronie układ AK Sco o okresie orbitalnym 315 dni). Ale odkryto również dyski skierowane prostopadle do płaszczyzny orbity układu gwiazdowego (np. po lewej HD 98800 B o okresie orbitalnym 13,6 dnia). Tutaj orbity gwiazd układu podwójnego są narysowane białymi liniami, a gwiazdy poruszają się w kierunku od i do obserwatora. Źródło: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), I. Czekala i G. Kennedy; NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello
Ostatnio za pomocą symulacji numerycznych Anna Childs i Rebecca Martin (University of Nevada, Las Vegas, USA) oszacowały prawdopodobieństwo powstania planet skalistych, podobnych do Ziemi, które poruszają się prostopadle do płaszczyzny orbity gwiazdowego układu podwójnego. Astronomki rozpatrywały następujące położenia dysków protoplanetarnych:
1) w tej samej płaszczyźnie co para gwiazd poruszających się po orbitach kołowych (mimośród e=0);
2) w tej samej płaszczyźnie co para gwiazd poruszających się po orbitach eliptycznych (mimośród e=0,8);
3) prostopadle do płaszczyzny orbity eliptycznej (mimośród e=0,8) podwójnego układu gwiazdowego.
W pierwszym kroku zostały wykonane symulacje hydrodynamiczne, których celem było określenie rozkładu materii we wczesnych fazach powstawania planet dla każdego z trzech przypadków. To stanowiło wskazówkę odnośnie rozmieszczenia 26 obiektów o wielkości Marsa (masa 0,093 M⊕) i 260 o wielkości Księżyca (masa 0,0093 M⊕) w symulowanym dysku protoplanetarnym. Na koniec wykonano symulacje ewolucji tych planetozymali na przestrzeni milionów lat. W symulacji trwającej 7 milionów lat materia formującego się układu planetarnego zderzała się z macierzystymi gwiazdami, łączyła się – tworząc większe obiekty lub była wyrzucana poza układ.
I jaki jest wynik tej symulacji?
Z dysków protoplanetarnych umieszczonych prostopadle do płaszczyzny ekscentrycznej orbity układu dwóch gwiazd (wariant (3)) powstało więcej planet niż z dysków znajdujących się w płaszczyźnie układu gwiazdowego (warianty: (1) + (2)).
Średnio z dysków rotujących prostopadle do płaszczyzny układu podwójnego gwiazd powstało 4,8 planet podobnych do Ziemi, a z dysków współpłaszczyznowych z orbitami gwiazd – 3,4.
Najprawdopodobniej ta różnica wynika z większego momentu sił, który wywiera układ gwiazdowy na dyski protoplanetarne, gdy znajdują się w tej samej płaszczyźnie. Większy moment sił oznacza większą utratę materii z dysku.
Z tej symulacji wynika, że planety skaliste podobne do Ziemi mogą istnieć na stabilnych orbitach prostopadłych do płaszczyzny orbity macierzystego układu gwiazdowego – nawet jeżeli uwzględni się efekty relatywistyczne, powodujące precesję peryastronu w układach gwiazdowych o orbitach eliptycznych. Ciekawe, że prawdopodobieństwo powstania planet podobnych do Ziemi, które krążą po orbitach prostopadłych do płaszczyzny orbity układu gwiazdowego jest większe niż gdy te obiekty są współpłaszczyznowe.
Odkrycie egzoplanet w takiej konfiguracji współczesnymi metodami jest trudne, ale nie niemożliwe – np. dzięki obserwacji zmiany momentów zaćmień w macierzystych układach gwiazdowych. Miejmy nadzieję, że odkrycie takiego układu typu Tatooine nastąpi już wkrótce.
Więcej informacji:
- Publikacja naukowa: Anna Childs i Rebecca Martin (2021) ApJL 920, L8 – „Formation of Polar Terrestrial Circumbinary Planets”
- Wersja darmowa publikacji w arXiv: „Formation of polar terrestrial circumbinary planets”
- Another Kind of Tatooine: Can Planets Form Perpendicular to a Binary System?
Źródło: AAS
Opracowanie: Ryszard Biernikowicz
Na ilustracji wizja artystyczna podwójnego zachodu słońc na egzoplanecie podobnej do Tatooine, która powstała z dysku protoplanetarnego nie znajdującego się w płaszczyźnie orbity gwiazdowego układu podwójnego. Źródło: NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello
