Пошук планет за межами нашої Сонячної системи – екзопланет – одна з найбільш швидкозростаючих галузей астрономії.
За останні кілька десятиліть було виявлено понад 5 000 екзопланет, і зараз астрономи підрахували, що в середньому на кожну зірку в нашій галактиці припадає щонайменше одна планета.
Багато сучасних досліджень спрямовані на виявлення планет, схожих на Землю і придатних для життя. Ці зусилля зосереджені на так званих зірках “головної послідовності”, таких як наше Сонце – зірках, які живляться за рахунок злиття атомів водню в гелій в їхніх ядрах і залишаються стабільними протягом мільярдів років. Понад 90 відсотків усіх відомих на сьогоднішній день екзопланет було виявлено навколо зірок головної послідовності.
У складі міжнародної команди астрономів ми вивчали зірку, яка виглядає дуже схожою на наше Сонце через мільярди років, і виявили, що вона має планету, яку за всіма правилами мала б поглинути. У дослідженні, опублікованому сьогодні в журналі Nature, ми складаємо головоломку існування цієї планети – і пропонуємо кілька можливих рішень.
Погляд у наше майбутнє: червоні зорі-гіганти
Як і люди, зорі зазнають змін з віком. Після того, як зоря використає весь свій водень в ядрі, ядро зорі стискається, а зовнішня оболонка розширюється, коли зоря охолоджується.
На цій стадії еволюції “червоного гіганта” зорі можуть збільшуватися у понад 100 разів від свого початкового розміру. Коли це станеться з нашим Сонцем, приблизно через 5 мільярдів років, ми очікуємо, що воно виросте настільки, що поглине Меркурій, Венеру і, можливо, Землю.
Зрештою, ядро стає достатньо гарячим, щоб зоря почала плавити гелій. На цьому етапі зоря стискається приблизно в 10 разів від свого початкового розміру і продовжує стабільно горіти протягом десятків мільйонів років.
Ми знаємо сотні планет, що обертаються навколо червоних гігантських зірок. Одна з них називається 8 Ursae Minoris b – планета з масою приблизно як у Юпітера, що обертається по орбіті, яка утримує її на відстані приблизно вдвічі меншій, ніж Земля від Сонця.
Планета була відкрита у 2015 році командою корейських астрономів за допомогою методу “допплерівського коливання”, який вимірює гравітаційне тяжіння планети до зірки. У 2019 році Міжнародний астрономічний союз назвав зірку Пекду, а планету – Халла, на честь найвищих гір на Корейському півострові.
Планета, якої не повинно бути
Аналіз нових даних про Пекду, зібраних космічним телескопом НАСА Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS), приніс несподіване відкриття. На відміну від інших червоних гігантів, які розміщують екзопланети на близьких орбітах, Пекду вже почав плавити гелій у своєму ядрі.
Використовуючи методи астероїдології, яка вивчає хвилі всередині зірок, ми можемо визначити, який матеріал спалює зірка. Для Пекду частоти хвиль однозначно вказували на те, що вона почала спалювати гелій у своєму ядрі.
Відкриття спантеличило: якщо Пекду спалює гелій, то в минулому вона мала бути набагато більшою – настільки великою, що поглинула б планету Галла. Як же Галла вціліла?
Як це часто буває в наукових дослідженнях, першим кроком було виключити найтривіальніше пояснення: що Галла ніколи насправді не існувала.
Дійсно, деякі очевидні відкриття планет на орбітах червоних гігантів за допомогою методу допплерівських коливань пізніше виявилися ілюзіями, створеними довготривалими варіаціями в поведінці самої зірки.
Однак подальші спостереження виключили такий хибнопозитивний сценарій для Галли. Доплерівський сигнал від Пекду залишався стабільним протягом останніх 13 років, а ретельне вивчення інших показників не виявило жодних інших можливих пояснень сигналу. Галла існує – що повертає нас до питання, як вона пережила поглинання.
Дві зірки стають однією: можливий сценарій виживання
Підтвердивши існування планети, ми дійшли до двох сценаріїв, які могли б пояснити ситуацію, що склалася з Пекду і Халлою.
Щонайменше половина всіх зірок у нашій галактиці сформувалися не ізольовано, як наше Сонце, а є частиною подвійних систем. Якщо Пекду колись була подвійною зіркою, то Галла, можливо, ніколи не стикалася з небезпекою поглинання.
Злиття цих двох зірок могло запобігти розширенню однієї з них до розмірів, достатніх для поглинання планети Галла. Якби одна зірка стала червоним гігантом сама по собі, вона поглинула б Галлу, але якщо б вона злилася із зіркою-компаньйоном, то перейшла б одразу до фази спалювання гелію, не ставши достатньо великою, щоб досягти планети.
Або ж Галла може бути відносно новонародженою планетою. Сильне зіткнення між двома зірками могло спричинити хмару газу і пилу, з якої могла утворитися планета. Іншими словами, планета Галла може бути нещодавно народженою планетою “другого покоління”.
Яке б пояснення не було правильним, відкриття близької планети на орбіті червоної зірки-гіганта, що спалює гелій, демонструє, що природа знаходить способи, як екзопланети з’являються там, де ми найменше можемо їх очікувати.
