Космические зомби: почему мертвые звезды пожирают своих детей

Ученые то и дело обнаруживают следы космического каннибализма, когда отгоревшие звезды буквально проглатывают собственные планеты и астероиды. Недавно исследователи наткнулись на особенно интересный случай. Naked Science объясняет, почему трагедия для планеты — огромная удача для астронома.

Планете трудно пережить гибель своей звезды. Например, светила массой в десять и более солнц заканчивают жизнь во вспышке сверхновой. Ударная волна этого взрыва способна смести любую планетную систему. Но и менее массивные звезды часто забирают с собой своих детей. Превратившись в белый карлик (ниже мы подробно расскажем, что это такое), светило нередко разрывает на части и поглощает собственные планеты. В атмосфере остывающей звезды остается пепел проглоченных миров. Эти-то, с позволения сказать, объедки и дают астрономам редкий шанс выяснить, из чего состоят далекие экзопланеты.

Агония звезд

Почему звезды светят? Потому что в их недрах идут термоядерные реакции, выделяющие энергию. Главный из этих процессов — превращение водорода в гелий. На легкомысленном астрономическом жаргоне это называется горением водорода. Конечно, термоядерные реакции не имеют никакого отношения к настоящему горению: горение — это химический процесс, он не затрагивает ядер атомов. Зато «горение водорода» звучит куда короче, чем «термоядерная реакция, в которой расходуется водород», так что и мы тоже будем так говорить.

Звезда состоит из нескольких слоев, которые отличаются друг от друга давлением, температурой и плотностью вещества. Центральный слой звезды — ядро. Здесь давление выше всего, ведь на ядро давят своей тяжестью все вышележащие слои светила. Это давление сжимает вещество до солидной плотности: например, ядро Солнца примерно в 20 раз плотнее стали. Температура в ядре тоже очень высокая (для Солнца это 15 миллионов градусов). Вышележащие слои звезды холоднее ядра и не такие плотные.

Практически всю жизнь звезду обеспечивает энергией горение водорода в ее центре. Но рано или поздно водород в ядре звезды заканчивается.

Тогда начинает гореть тонкий слой водорода, прилегающий к ядру с внешней стороны. Когда и он выгорает, загорается следующий слой, и так далее. Мощный поток излучения буквально раздувает звезду, и она становится красным гигантом.

Умирающая звезда проходит еще через несколько метаморфоз, связанных с горением гелия, а иногда и более тяжелых элементов. Мы не будем подробно описывать эту агонию. Важно то, что значительная часть массы звезды рассеивается в пространстве. Звезды массивнее десяти солнц разбрасывают ее в яростной вспышке сверхновой. Более скромные светила расстаются со своим веществом не так эффектно. Но итог одинаков: на месте былой звезды остается облако разреженной материи и плотное раскаленное ядро, в котором уже не происходит никаких термоядерных реакций.

Сияющий труп

Гравитация стремится сжать это ядро. Давление вещества пытается этому помешать, но у него не всегда получается. Звезды массой в десять и более солнц оставляют после себя уж слишком массивные остатки (1,5 массы Солнца и более). Такой объект обречен сжаться в нейтронную звезду, а то и в черную дыру. А вот если остаток не так массивен, сжатие останавливается до этой метаморфозы. Правда, «звездный труп» все-таки получается весьма плотным: сравнимый по массе с Солнцем, размерами он напоминает скорее Землю. Это и есть белый карлик.

Название «белый» — условность. Сириус B и 40 Эридана B, открытые первыми — именно белые, они и дали название всем своим собратьям. А вообще-то настоящий цвет зависит от возраста. Типичный белый карлик вскоре после своего рождения (то есть смерти родительской звезды) имеет температуру поверхности около 50 тысяч градусов и выглядит голубым. Но постепенно он остывает, ведь термоядерные реакции, напомним, уже закончились. Через миллиард лет температура белого карлика опускается в пять раз, и вот теперь он действительно выглядит белым. Еще за несколько миллиардов лет остывания он проходит стадии от желтого до красного цвета, а спустя десять миллиардов лет (время, сравнимое с возрастом Вселенной) вообще перестает испускать свет. Но все это время он называется белым карликом, а не желтым, красным или коричневым. Эти названия закреплены за другими объектами.

Гибель миров

Что же во время всех этих драматических метаморфоз происходит с планетами? Увы, обычно ничего хорошего.

Уже при превращении светила в красный гигант ближайшим к нему планетам не поздоровится. Например, Солнце в этот момент так расширится, что буквально проглотит Меркурий, Венеру и Землю. Утешает лишь то, что до этой катастрофы еще примерно 5 миллиардов лет.

Более далекие от своего солнца миры имеют шансы уцелеть, но и они не в безопасности. Например, поток раскаленной плазмы, которым истекает теряющая массу звезда, отнюдь не безобиден. Он не так разрушителен, как ударная волна сверхновой, но запросто может лишить землеподобную планету атмосферы.

Однако главная опасность для планет, избежавших пасти красного гиганта, исходит… от соседних планет. Точнее, от их гравитации.

Сильнее всего планеты притягиваются, конечно же, к звезде. Но и притяжением их друг к другу тоже нельзя пренебречь. Эти взаимные влияния запросто могут свести тело со стабильной орбиты и уронить его на местное солнце (или, наоборот, выбросить в межзвездное пространство). Исаак Ньютон, первооткрыватель закона всемирного тяготения, прекрасно осознавал эту проблему. Стабильность Солнечной системы он объяснял не больше не меньше чем прямым вмешательством Творца. В защиту гения скажем, что в его времена Солнечная система почти совпадала с известной Вселенной, так что ее ручная настройка была делом, вполне приличествующим божеству.

Сегодня ученые обходятся без теологических аргументов. Они полагают, что планетные системы переживают бурную молодость, когда планеты сталкиваются, меняются местами и так далее. Солнечная (и любая другая) система прошла через несколько нестабильных конфигураций, не задержавшись ни в одной из них именно потому, что они были нестабильными. Так что ее нынешнее степенное движение — в своем роде результат естественного отбора.

Однако напомним: в процессе превращения в белый карлик Солнце потеряет значительную часть своей массы. С таким трудом найденный баланс гравитационных сил безвозвратно нарушится. А значит, в системе снова начнется вакханалия. И в этой чехарде некоторые планеты могут подойти опасно близко к белому карлику.

Гипотетическое строение планетной системы белого карлика G238-44. Изображены пояс постепенно поглощаемых астероидов, далекие газовые гиганты и кометы / © NASA, ESA, Joseph Olmsted (STScI)

Разорвать и проглотить

Что значит «опасно близко»? Это значит, что планета может быть разорвана приливными силами.

Приливные силы в основе своей очень простая вещь. Полушарие планеты, обращенное к звезде, находится к ней несколько ближе, чем противоположное, а значит, притягивается сильнее. Именно этот эффект со стороны Солнца и Луны вызывает приливы в земных океанах. Но и сама планета тоже немного вытягивается, деформируется. Если подойти к звезде слишком близко, эта деформация превысит предел прочности, и планета будет буквально разорвана на куски. Пылевое облако, в которое она превратится, понемногу осядет на светило.

Как близко нужно подобраться к белому карлику, чтобы пасть его жертвой?  Примерно на один солнечный радиус (собственный радиус белого карлика, напомним, сравним с земным).

Во многих системах подобные катаклизмы уже произошли. Вокруг некоторых белых карликов наблюдаются облака пыли и обломков, иногда довольно крупных. Правда, столь красноречивые следы катастроф наблюдаются редко (скорее всего лишь потому, что их сложно заметить с нашими инструментами). Но есть и другие свидетельства.

Белые карлики имеют тонкую атмосферу, почти полностью состоящую из водорода и гелия — жалких остатков былых запасов родительской звезды. Но в атмосфере примерно каждого четвертого объекта наблюдаются и более тяжелые элементы, вплоть до железа. Такие белые карлики называются загрязненными (polluted).

Эти тяжелые элементы едва ли могут принадлежать самой остывающей звезде. Могучая гравитация сверхплотного тела не позволила бы им легкомысленно витать в атмосфере. Считается, что это остатки планет, недавно разорванных и поглощенных белым карликом. «Недавно» значит «в пределах сотен миллионов лет». За это время «улики» не успевают полностью уйти в глубину белого карлика.

Что интересного в этих раскаленных газах, когда-то бывших планетами? Они дают нам редкий шанс понять, из чего состоят экзопланеты.

Сопротивление материала

Обычно все, что у нас есть, это радиус планеты или ее масса. Состав приходится чуть ли не угадывать, уповая на то, что не бывает скалистых планет размером с Юпитер или газовых с массой Земли. Конечно, законы физики дают нам веские основания так считать. Но вердикты вроде «газовый гигант» или «планета из твердых минералов» трудно назвать исчерпывающим описанием.

Хорошо, когда масса и радиус экзопланеты известны одновременно. Тогда можно вычислить ее среднюю плотность, не опираясь на предположения. Однако это бывает настолько редко, что для исправления ситуации Европейское космическое агентство специально запустило на орбиту телескоп CHEOPS. И в любом случае средняя плотность не очень много говорит о ее составе. Даже массовые доли скалистого ядра, гидросферы и атмосферы могут меняться в широких пределах. А уж о такой мелочи, как замена натрия на магний или кислорода на азот, и говорить не приходится.

Есть еще одна возможность определить химический состав экзопланеты. Большинство известных планет периодически проходит между своим солнцем и нашими телескопами (благодаря этому экзопланеты в основном и открываются). Тогда лучи звезды просвечивают атмосферу планеты насквозь, и в их спектре появляются следы ее газов. Но состав атмосферы мало что говорит о составе поверхности. Кроме того, современные телескопы позволяют провернуть такой фокус лишь с гигантскими планетами или хотя бы суперземлями. А между тем нас, конечно, больше всего занимают землеподобные миры.

Космическая судмедэкспертиза

И тут загрязненные белые карлики дают астрономам шанс. Ведь в атмосферу звезды-убийцы попадают именно те атомы, из которых состояли разрушенные планеты. Выяснив относительное содержание химических элементов, можно прикинуть, из каких молекул и даже из каких минералов состояли погибшие миры.

Недавно ученые 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 говорит о том, что на белый карлик падали металлические астероиды или планеты с железными ядрами вроде Земли. С другой стороны, обилие азота указывает на ледяные тела типа комет или Плутона. Причем речь скорее идет об астероидах, чем о планетах: по оценкам исследователей, общая масса, поглощенная G238-44, меньше лунной.

Соединить два столь разных состава в одном небесном теле немыслимо. Все теории образования планет утверждают, что скалистые астероиды образуются поблизости от звезды, а глыбы льда — на дальних окраинах системы. Правда, эти модели отталкиваются от строения Солнечной системы и в этом смысле могут быть предвзяты. Но в конце концов физику не обманешь. Небольшие ледяные объекты вроде Плутона не могут образоваться близко к звезде: они бы просто испарились под ее лучами.

Таким образом, G238-44 стал первым известным белым карликом, на который падали объекты как первого («железного»), так и второго («ледяного») типа.

Что в этом интересного? Во-первых, получается, что хаос, вызванный превращением звезды в белый карлик, затрагивает даже внешние окраины системы, где обитают ледяные тела.

А во-вторых, получено свидетельство, что внешний пояс ледяных тел есть не только у Солнца. Об этом же говорят и некоторые другие факты, например наблюдения экзокомет.

Заметим, что некоторые исследователи приписывают кометам важную роль в снабжении новорожденной Земли водой и органикой. Не исключено, что для возникновения жизни нужны не только тугоплавкие тела вроде Земли, но и такие вот ледяные гостьи. И если в существовании многочисленных скалистых экзопланет мы уже твердо уверены, то распространенность «ледяных поясов» пока под вопросом.

Что ж, по крайней мере в системе G238-44, похоже, были оба ингредиента. Это внушает некоторый оптимизм, если только мы не наткнулись случайно на очень нетипичную систему (что маловероятно). Хотя, конечно, можно только гадать, цвела ли когда-нибудь жизнь под светом G238-44. А если и цвела, она едва ли пережила превращение своего солнца в белый карлик.

Источник:  https://naked-science.ru/