Постоянно появляются свидетельства космического каннибализма, когда умирающие звезды поглощают собственные планеты и астероиды. Недавно ученые обнаружили особенно любопытный пример. Как объясняет Naked Science, гибель планеты оказывается большой удачей для астрономов.
Планетам крайне сложно пережить гибель их звезды. Так, светила, масса которых в десять раз превышает массу Солнца, завершают свой жизненный цикл мощным взрывом сверхновой. Ударная волна от такого взрыва может уничтожить любую планетную систему. Однако и менее массивные звезды нередко приводят к гибели своих планет. Превратившись в белый карлик (подробнее о природе этого объекта мы расскажем ниже), светило может разорвать на части и поглотить собственные планеты. В атмосфере остывающей звезды остаются остатки проглоченных миров. Именно эти обломки дают астрономам уникальную возможность узнать о составе далеких экзопланет.
Агония звезд
Звезды излучают свет благодаря термоядерным реакциям, происходящим в их внутренностях и высвобождающим энергию. Основной процесс, лежащий в основе этого явления, – преобразование водорода в гелий. В популярной астрономической терминологии этот процесс называют «горением водорода». Следует отметить, что термоядерные реакции не связаны с обычным горением, которое является химическим процессом и не влияет на структуру атомных ядер. Однако выражение «горение водорода» значительно короче, чем «термоядерная реакция с использованием водорода», поэтому мы будем использовать именно его.
Звездные тела имеют многослойную структуру, где каждый слой характеризуется своим давлением, температурой и плотностью. Наиболее внутренний слой звезды – это ядро, где наблюдается максимальное давление, обусловленное весом всех остальных слоев. Это давление приводит к сжатию вещества до значительной плотности: так, плотность ядра Солнца составляет примерно в 20 раз больше плотности стали. Температура в ядре также чрезвычайно высока (для Солнца она достигает 15 миллионов градусов). Слои, расположенные выше ядра, имеют более низкую температуру и меньшую плотность.
На протяжении большей части своего существования звезда получает энергию благодаря термоядерным реакциям водорода, происходящим в ее ядре. Однако, со временем запасы водорода в ядре звезды истощаются.
После этого воспламеняется тонкий слой водорода, расположенный на внешней поверхности ядра. По мере его полного выгорания загорается следующий слой, и этот процесс повторяется. Интенсивное излучение приводит к значительному увеличению размеров звезды, превращая её в красного гиганта.
Угасающая звезда переживает дальнейшие изменения, обусловленные сжиганием гелия, а порой и более тяжелых химических элементов. Мы не будем вдаваться в подробное описание этого процесса затухания. Главное заключается в том, что значительная доля массы звезды высвобождается в космическом пространстве. Звезды, масса которых превышает десять солнечных, выбрасывают ее в результате мощного взрыва сверхновой. Менее массивные светила теряют свою материю не столь впечатляюще. Однако результат один и тот же: на месте бывшей звезды формируется облако разреженной материи и плотное раскаленное ядро, где уже не происходят термоядерные процессы.
Сияющий труп
Гравитационные силы стремятся сжать это ядро. Давление вещества противодействует этому процессу, однако не всегда успешно. Звезды, масса которых в десять и более раз превышает массу Солнца, формируют после себя чрезмерно массивные остатки (от 1,5 масс Солнца и более). Такой объект неизбежно сжимается в нейтронную звезду, а в некоторых случаях – в черную дыру. Если же остаток имеет меньшую массу, сжатие прекращается на этой стадии. Тем не менее, даже в этом случае «звездный труп» оказывается очень плотным: объект, сравнимый по массе с Солнцем, по размерам напоминает скорее Землю. Это и есть белый карлик.
Термин «белый» является скорее условным обозначением. Первооткрытые Сириус B и 40 Эридана B, благодаря которым получили название все объекты этого класса, и стали образцами для наименования. Однако реальный цвет зависит от возраста объекта. Белый карлик вскоре после своего появления (что является завершением жизни родительской звезды) обладает температурой поверхности порядка 50 тысяч градусов и выглядит голубым. По мере остывания, поскольку термоядерные процессы уже не происходят, его цвет меняется. Через миллиард лет температура снижается в пять раз, и тогда он действительно начинает выглядеть белым. Дополнительное остывание на протяжении нескольких миллиардов лет приводит к прохождению стадий от желтого до красного цвета, а спустя десять миллиардов лет (что сопоставимо с возрастом Вселенной) он полностью прекращает излучать свет. Однако на протяжении всего этого времени он сохраняет название «белый карлик», а не «желтый», «красный» или «коричневый», поскольку эти обозначения закреплены за другими небесными телами.
Гибель миров
Какие изменения происходят с планетами во время этих драматических преобразований? К сожалению, чаще всего они не самые благоприятные.
В процессе трансформации звезды в красный гигант ближайшие к ней планеты столкнутся с серьезными проблемами. Так, Солнце увеличится в размерах настолько, что поглотит Меркурий, Венеру и Землю. Ободряет лишь то, что до этой катастрофы остается около 5 миллиардов лет.
Планеты, расположенные на большем удалении от своей звезды, имеют больше шансов на выживание, однако и они не застрахованы от опасностей. Так, поток раскаленной плазмы, выбрасываемый звездой, теряющей массу, представляет собой ощутимую угрозу. Хотя он и не обладает такой разрушительной силой, как ударная волна, сопровождающая взрыв сверхновой, он вполне способен уничтожить атмосферу планеты, схожей с Землей.
Основная угроза для планет, которые удалось избежать поглощения красным гигантом, исходит от гравитационного воздействия соседних планет.
Звезды оказывают наибольшее гравитационное воздействие на планеты. Однако взаимное притяжение планет между собой также нельзя игнорировать. Эти взаимодействия способны вывести тело из устойчивой орбиты и привести к его падению на ближайшую звезду (или, наоборот, выбросить в межзвездное пространство). Исаак Ньютон, создатель закона всемирного тяготения, хорошо понимал эту сложность. Он объяснял устойчивость Солнечной системы прямым вмешательством Творца. В оправдание гения отметим, что в эпоху Ньютона Солнечная система практически совпадала с известной Вселенной, поэтому ее ручная настройка вполне соответствовала божественному деянию.
В настоящее время ученые не используют теологические доводы. Они считают, что планетные системы находятся в периоде активного развития, характеризующемся столкновениями планет, обменом их позициями и другими подобными процессами. Солнечная (и любая другая) система прошла через ряд неустойчивых состояний, не задерживаясь в них из-за их нестабильности. Следовательно, ее нынешнее упорядоченное движение можно рассматривать как закономерный итог естественного отбора.
Впрочем, стоит помнить, что в ходе превращения в белый карлик Солнце утратит ощутимую долю своей массы. Тщательно выстроенное равновесие гравитационных сил будет необратимо нарушено. Следовательно, в системе возобновится хаотичное взаимодействие. В результате этого взаимодействия некоторые планеты могут приблизиться к белому карлику на опасное расстояние.
Разорвать и проглотить
Опасно близко» – это выражение, означающее, что планета находится на расстоянии, при котором она может быть разрушена приливными силами.
Приливные силы основаны на довольно простом принципе. Полушарие планеты, направленное к звезде, находится к ней немного ближе, чем противоположное, и, следовательно, подвергается более сильному притяжению. Этот эффект, вызванный влиянием Солнца и Луны, является причиной приливов в океанах Земли. Кроме того, сама планета также испытывает деформацию, слегка вытягивается. При сближении с звездой на слишком короткое расстояние эта деформация может превысить предел прочности, и планета будет буквально разорвана на части. Пылевое облако, в которое она превратится, постепенно осядет на светило.
На каком расстоянии от белого карлика человек может стать его жертвой? Ориентировочно на величину солнечного радиуса (собственный радиус белого карлика сопоставим с земным).
В ряде систем уже имели место подобные катастрофические события. У некоторых белых карликов можно наблюдать облака, состоящие из пыли и обломков, иногда довольно крупных. Встретить столь явные признаки разрушений случается нечасто (вероятно, из-за ограниченных возможностей наших инструментов). Однако существуют и другие подтверждения.
Атмосфера белых карликов обычно состоит из водорода и гелия – незначительных остатков вещества, существовавшего в родительской звезде. Однако, у примерно четверти этих объектов в атмосфере обнаруживаются и более тяжелые элементы, включая железо. Такие белые карлики классифицируются как загрязненные).
Вероятно, эти тяжелые элементы не могут быть частью самой остывающей звезды. Мощная гравитация сверхплотного объекта не позволила бы им свободно находиться в атмосфере. Предполагается, что это фрагменты планет, которые недавно были разорваны и поглощены белым карликом. Под «недавно» подразумевается период в пределах сотен миллионов лет. За это время «улики» не успели полностью погрузиться вглубь белого карлика.
Какие особенности представляют собой эти раскаленные газовые шары, когда-то являвшиеся планетами? Они предоставляют нам уникальную возможность узнать о составе экзопланет.
Сопротивление материала
Как правило, располагая данными о радиусе планеты или ее массе, приходится строить предположения о ее составе. Оценку состава приходится делать, основываясь на предположении, что не встречаются скалистые планеты, сопоставимые по размеру с Юпитером, или газовые планеты, имеющие массу, как у Земли. Безусловно, законы физики предоставляют нам веские аргументы для такой оценки. Однако такие классификации, как «газовый гигант» или «планета, состоящая из твердых минералов», сложно назвать полным и детальным описанием.
Когда известны масса и радиус экзопланеты, можно рассчитать ее среднюю плотность без дополнительных допущений. Однако это случается нечасто, поэтому Европейское космическое агентство предприняло шаг к изменению ситуации и вывело на орбиту телескоп CHEOPS. В любом случае, средняя плотность не является надежным показателем состава планеты. Даже процентное соотношение твердого ядра, водной оболочки и атмосферы может значительно варьироваться. А изменения, связанные с заменой натрия на магний или кислорода на азот, практически не оказывают заметного влияния.
Существует и другой способ установить химический состав экзопланеты. Многие известные планеты время от времени располагаются между своей звездой и нашими телескопами (именно поэтому экзопланеты в основном и обнаруживаются). В этом случае лучи звезды проходят сквозь атмосферу планеты, и в их спектре проявляются признаки присутствующих в ней газов. Однако анализ состава атмосферы не позволяет сделать выводы о составе поверхности. К тому же, современные телескопы обеспечивают такую возможность только для газовых гигантов или суперземель. Но, разумеется, наибольший интерес для нас представляют планеты, подобные Земле.
Космическая судмедэкспертиза
Именно загрязненные белые карлики предоставляют астрономам уникальную возможность. Дело в том, что в атмосферу звезды-убийцы попадают атомы, из которых состояли уничтоженные планеты. Определив соотношение химических элементов, можно оценить, из каких молекул и даже из каких минералов состояли погибшие миры.
Недавно исследователи из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе объявили об интересном открытии. Они исследовали загрязненный белый карлик G238-44, находящийся примерно в 86 световых годах от Земли. Астрономы обработали данные нескольких инструментов, включая прославленный «Хаббл». Благодаря этому они измерили содержание в атмосфере G238-44 азота, кислорода, магния, кремния и железа. Это привело их к интересному выводу.
Высокое содержание железа свидетельствует о том, что на белый карлик воздействовали металлические астероиды или планеты, обладающие железным ядром, такие как Земля. Вместе с тем, обилие азота указывает на наличие ледяных объектов, подобных кометам или Плутону. Вероятнее всего, речь идет именно об астероидах, поскольку, по мнению ученых, общая масса, поглощенная G238-44, оказалась меньше массы Луны.
Объединение столь непохожих компонентов в единое небесное тело представляется невозможным. Все существующие теории формирования планет указывают на то, что каменистые астероиды формируются вблизи звезды, а ледяные образования – на окраинах системы. Однако эти модели основываются на структуре Солнечной системы и, таким образом, могут быть не совсем объективными. Тем не менее, физические законы невозможно нарушить. Малые ледяные тела, подобные Плутону, не могли бы возникнуть рядом со звездой: они попросту бы испарились под воздействием её излучения.
G238-44 оказался первым идентифицированным белым карликом, на который обрушались вещества, характерные как для звезд первого («железного»), так и для звезд второго («ледяного») типа.
Что представляет собой наиболее любопытный аспект? Прежде всего, выясняется, что беспорядок, возникающий при эволюции звезды в белый карлик, распространяется даже на удаленные границы системы, населенные ледяными объектами.
Кроме того, было получено подтверждение того, что внешний пояс ледяных тел существует не только вокруг Солнца. О том же свидетельствуют и некоторые другие данные, в частности наблюдения экзокомет.
Следует учитывать, что отдельные ученые полагают, что кометы могли сыграть существенную роль в доставке воды и органических веществ на молодую Землю. Вероятно, для зарождения жизни необходимы не только массивные, подобные Земле, объекты, но и такие ледяные космические тела. Хотя наличие большого количества каменистых экзопланет уже подтверждено, вопрос о распространенности «ледяных поясов» остается открытым.
В системе G238-44, по всей видимости, присутствовали оба необходимых компонента. Это вселяет определенную надежду, если мы не столкнулись с чем-то крайне необычным (что представляется маловероятным). Тем не менее, о том, существовала ли жизнь когда-либо под излучением G238-44, можно лишь строить предположения. И даже если жизнь и возникала, она вряд ли смогла бы пережить превращение звезды в белый карлик.