Планетные системы белых карликов18.08.2015 20:22

Астрофизик Роман Рафиков о дисках вокруг белых карликов, кольцах Сатурна и будущем Солнечной системы

Рассказ о планетных системах вокруг белых карликов стоит начать с того, что такое вообще белый карлик. Белый карлик — это наиболее часто встречающийся продукт звездной эволюции, финальная стадия эволюции звезды. Существует два других типа конечных продуктов — это черные дыры и нейтронные звезды, но белые карлики — это конечный этап эволюции большинства звезд в нашей Вселенной. И исторически предметом, который привел нас к пониманию существования планетных систем вокруг белых карликов, являлся определенный класс этих белых карликов, а именно белые карлики, обогащенные металлами.

Первый белый карлик, обогащенный металлами, был открыт голландским астрономом ван Мааненом в 1919 году, и в то время это было довольно необычное открытие: звезда выглядела как карликовая звезда, но спектр у нее соответствовал довольно-таки яркой массивной звезде. И долгое время люди не могли понять, в чем дело, до тех пор пока они не осознали, что в атмосфере этой звезды присутствует большое количество металлов. Под металлами в астрофизике мы понимаем любые элементы, которые более тяжелые, более продвинутые по химсоставу, чем водород и гелий. Водород и гелий, как мы знаем, — это наиболее распространенные элементы во Вселенной, а все остальное мы считаем металлами.

Примерно в 70-х годах люди начали понимать, что присутствие металлов в атмосфере белых карликов — это довольно-таки необычное явление. Дело в том, что если вы добавляете более тяжелое вещество, эти самые металлы в атмосферу, которая состоит из водорода или гелия, —, а это типичные атмосферы белых карликов, — то оказывается, что эти более тяжелые металлы начинают просто тонуть, оседать в атмосферах этих белых карликов и должны просто исчезнуть, они должны осесть внутрь ядра белого карлика. Это происходит по ряду причин. Основная причина состоит в том, что белые карлики — это компактные, очень маленькие объекты. При массе порядка массы Солнца они имеют размер порядка радиуса Земли. И в связи с этим гравитационное ускорение на их поверхности настолько огромно, что это оседание в некоторых случаях может происходить на временах порядка нескольких дней.

Даже в самых благоприятных случаях, когда время оседания очень длинное, оно может составлять порядка миллионов или десятков миллионов лет, но даже в этом случае время оседания очень короткое по сравнению со временем жизни этих белых карликов. Возраст белых карликов в том состоянии, в котором мы обычно их наблюдаем, — карликов, обогащенных металлами, — составляет порядка нескольких сот миллионов лет, то есть гораздо длиннее, чем время оседания металлов. Поэтому обнаружение металлов в атмосферах говорит нам, что эти атмосферы не могут присутствовать в этих белых карликах изначально, металлы должны были исчезнуть.

И в связи с этим возникла гипотеза, что, возможно, эти металлы приносятся в атмосферу белых карликов извне. Самая первая идея состояла в том, что эти металлы приходят из межзвездной среды. По мере того как белый карлик движется через межзвездную среду, он постепенно аккрецирует на себя, на свою поверхность межзвездное вещество, и это приносит в его атмосферу металлы. К сожалению, эта идея была со временем отброшена. Связано это с тем, что из межзвездной среды будет приходить в основном водород, поскольку бо́льшая часть межзвездной среды состоит из водорода и гелия, лишь небольшая часть межзвездной среды состоит из металлов.

В итоге все белые карлики должны были быть покрыты водородом, поскольку водород — самый легкий элемент, и мы бы в таком случае не могли наблюдать гелиевых белых карликов, потому что гелий более тяжелый и аккреция водорода полностью скрыла бы гелий из нашего вида. Тем не менее такие белые карлики наблюдаются, и это говорит нам о том, что, скорее всего, принесение этих металлов из межзвездной среды, по-видимому, не может объяснить присутствия металлов в этих белых карликах.

Уже тогда, в конце 70-х годов, возникали идеи, что, возможно, эти металлы приносятся за счет падения, например, комет на поверхность белых карликов. Но в то время эти идеи казались довольно-таки экзотичными и не получили своего развития, в частности еще из-за того, что единственная известная на тот момент времени планетная система была наша Солнечная система.

В конце 80-х годов было сделано очень интересное открытие.

С помощью инфракрасных телескопов было обнаружено наличие инфракрасного излучения вокруг одного из белых карликов, обогащенных металлом.

Наличие инфракрасного излучения говорит нам о том, что вокруг этого белого карлика присутствует какое-то вещество, которое поглощает излучение белого карлика, нагревается до какой-то определенной температуры, которая меньше температуры белого карлика, и потом переизлучает эту энергию в инфракрасном диапазоне. Люди стали анализировать эти спектры и стали получать все больше и больше информации о таких белых карликах, у которых есть инфракрасные избытки, и в настоящее время известно порядка тридцати таких систем, бо́льшая часть из них исследована с помощью космического телескопа «Спитцер».

В результате детального изучения белых карликов с инфракрасными избытками мы пришли к пониманию того, что эти белые карлики окружены дисками из вещества, которое поглощает эту энергию, исходящую из белых карликов, и переизлучает ее в инфракрасном диапазоне. Оказалось, что это довольно интересные диски, они находятся очень близко от белого карлика. Внешние радиусы таких дисков — они называются обломочные диски, потому что мы считаем, что это остатки разрушения каких-то тел, — составляют порядка одного солнечного радиуса, это очень интересно. Наиболее близким аналогом таких дисков вообще где-то во Вселенной, по-видимому, являются кольца Сатурна, поскольку их размер очень похож на один солнечный радиус. И оказывается, что многие другие свойства этих дисков, например то, что они практически непрозрачные, если их попытаться просветить светом, а также их геометрическая тонкость — они очень-очень плоские, — тоже роднят диски вокруг белых карликов с дисками Сатурна. То есть ментальная картина, которую можно представлять себе, когда мы говорим о дисках вокруг белых карликов, — это кольца Сатурна, по сути.

И это в какой-то степени подвело людей на лучшее понимание того, откуда берутся металлы в белых карликах и откуда берутся эти диски. Мы знаем, что кольца Сатурна образуются, скорее всего, за счет приливного разрушения каких-то тел, то есть тела, которые подошли слишком близко к Сатурну, разрушились под гравитационным влиянием Сатурна, они не могли держать себя в своей собственной гравитации.

В 2003 году была предложена идея, согласно которой диски вокруг белых карликов образуются практически таким же механизмом. Представьте себе, что вокруг звезды, из которой появился белый карлик, изначально была планетная система. По мере того как звезда эволюционировала — эта эволюция обычно занимает порядка миллиарда лет, — она разбухла, потеряла всю свою оболочку, превратилась в белый карлик и после этого пассивно остывала, превращаясь в остывающий «труп» звездной эволюции. При этом планетная система могла выжить, внешние части планетных систем просто расширяются, по мере того как белый карлик теряет свою массу, и в результате этого образуется большая планетная система. Но многие объекты, такие как планеты, пояса астероидов и так далее, выживают в результате такой эволюции. При этом система может перейти в динамически неустойчивое состояние, и в этом случае планеты начинают, грубо говоря, разбрасывать камни — они выбрасывают часть астероидов из системы. Но часть астероидов может оказаться на таких орбитах, которые приведут их внутрь примерно одного солнечного радиуса от белого карлика. Само по себе это нестрашно: это не грозит столкновением с белым карликом, потому что его размер порядка 1% от солнечного радиуса, это всего лишь размер Земли. Но тело типа астероида, проходя на таком расстоянии от белого карлика, будет разрушено его приливными силами. И в итоге мы получим конфигурацию, которая будет напоминать нам эти кольца Сатурна, то есть мы получим такой обломочный диск вокруг белого карлика.

Идея приливного разрушения астероидов позволяет естественным образом объяснить много вещей. Она позволяет объяснить компактность этих обломочных дисков, потому что изначально диски размером порядка одного солнечного радиуса не могли существовать вокруг звезды все время, поскольку изначально они должны были бы находиться практически внутри звезды. За счет этой идеи мы получаем объяснение размеров этих дисков, мы получаем резервуар массы в виде металлов, который может попадать на поверхность центральной звезды, на поверхность белого карлика и загрязнять его металлами. Мы также получаем хорошее объяснение химическому составу этих металлов в атмосферах белых карликов, поскольку мы можем мерить этот химический состав, и во многих случаях этот химический состав оказывается соответствующим распределению элементов в Земле, Луне, астероидах и многих других объектах внутренней части Солнечной системы.

Само по себе это очень интересно, и идея эта чрезвычайно продуктивна и позволяет естественным образом объяснить как загрязнение металлами оболочек этих белых карликов, так и присутствие обломочных дисков вокруг них. Но эта идея сама по себе естественным образом также предполагает наличие планетных систем вокруг белых карликов. И это совершенно неудивительно, поскольку в настоящее время мы знаем, что практически все звезды во Вселенной должны обладать своими собственными планетными системами, в том числе и звезды более массивные, чем Солнце, такие, из которых в итоге и получаются белые карлики.

Перенос вещества из этих дисков, из этих резервуаров массы на поверхность белого карлика — это тоже довольно-таки интересная проблема.

Нам удалось показать, что перенос массы происходит за счет таких эффектов, как радиационное влияние белого карлика на поверхность этого диска.

Существует так называемый эффект Пойнтинга — Робертсона, который вызывает медленное движение частиц, обращающихся вокруг, например, Солнца или молодых звезд, к центру этих звезд по спирали и который вызывает в итоге исчезновение этих частиц. Такой же процесс обязательно должен действовать на поверхности этих обломочных дисков вокруг белых карликов и приводить к тому, что их масса постепенно оказывается очень близко от белого карлика. В этот момент твердые частицы должны начать испаряться, они должны превращаться в газ, образовывая газовые диски, которые мы, кстати, тоже видим вокруг некоторых белых карликов, и в итоге этот газ попадает на поверхность белого карлика и загрязняет ее металлами. Это дает нам более-менее стройную картину того, как происходит попадание металлов в атмосферу этих белых карликов.

По ряду причин наличие планетных систем вокруг белых карликов имеет довольно-таки большое значение для нашего понимания существования и образования планет во Вселенной. Во-первых, планеты вокруг звезд, более массивных, чем Солнце, зачастую бывает очень сложно исследовать. Если мы можем исследовать планетные системы уже после того, как эти звезды ушли с главной последовательности и превратились в белые карлики, это даст нам очень интересную информацию о наличии и свойствах планетных систем вокруг более массивных звезд. Также очень важным является то, что белые карлики, загрязненные металлами, позволяют нам исследовать полный химсостав астероидов, комет и других малых планет в этих планетных системах. Это единственная ситуация, когда мы можем такое сделать, поскольку, когда мы делаем спектроскопический анализ планет, это обычно планеты-гиганты вокруг других звезд, мы видим только химсостав, соответствующий внешним слоям планеты, и не можем сказать о том, что находится внутри этих планет. Даже в нашей Солнечной системе мы можем исследовать химсостав, только если на поверхность Земли падает метеорит или если мы можем послать какой-то спутник, который будет исследовать эти объекты.

И в итоге наша собственная Солнечная система должна закончить свое существование в виде белого карлика, и то, что произойдет с нашей собственной планетной системой, знать довольно-таки интересно. Поэтому будущие эксперименты, такие как Gaia (это астрометрическая миссия, которая сможет обнаружить напрямую наличие планет вокруг белых карликов), а также «Спитцер», продолжающий исследовать инфракрасные избытки, и, наконец, JWST (будущая миссия НАСА), должны помочь нам в понимании свойств этих объектов и пролить свет на существование планетных систем вокруг более массивных, чем Солнце, звезд.

Роман Рафиков