Космічні зомбі: чому мертві зірки пожирають своїх дітей

Вчені раз у раз виявляють сліди космічного канібалізму, коли відгорілі зірки буквально проковтують власні планети й астероїди. Нещодавно дослідники натрапили на особливо цікавий випадок. Naked Science пояснює, чому трагедія для планети – величезна удача для астронома.

Планеті важко пережити загибель своєї зірки. Наприклад, світила масою в десять і більше сонців закінчують життя у спалаху наднового. Ударна хвиля цього вибуху здатна змісти будь-яку планетну систему. Але менш масивні зірки часто забирають із собою своїх дітей. Перетворившись на білий карлик (нижче ми докладно розповімо, що таке), світило нерідко розриває частини і поглинає власні планети. В атмосфері зірки, що остигає, залишається попіл проковтнутих світів. Ці, з дозволу сказати, недоїдки і дають астрономам рідкісний шанс з’ясувати, з чого складаються далекі екзопланети.

Агонія зірок

Чому зірки світять? Тому що в їх надрах тривають термоядерні реакції, що виділяють енергію. Головний із цих процесів — перетворення водню на гелій. На легковажному астрономічному жаргоні це називається горінням водню. Звичайно, термоядерні реакції не мають жодного відношення до справжнього горіння: горіння — це хімічний процес, він не торкається ядер атомів. Зате «горіння водню» звучить набагато коротше, ніж «термоядерна реакція, в якій витрачається водень», тож і ми теж так говоритимемо.

Зірка складається з кількох шарів, які відрізняються один від одного тиском, температурою та щільністю речовини. Центральний шар зірки – ядро. Тут тиск найвищий, адже на ядро ​​тиснуть своєю вагою всі шари світила, що лежать вище. Цей тиск стискає речовину до солідної щільності: наприклад, ядро ​​Сонця приблизно в 20 разів щільніше сталі. Температура в ядрі також дуже висока (для Сонця це 15 мільйонів градусів). Вищележачі шари зірки холодніші за ядра і не такі щільні.

Майже все життя зірку забезпечує енергією горіння водню в її центрі. Але рано чи пізно водень у ядрі зірки закінчується.

Тоді починає горіти тонкий шар водню, що прилягає до ядра із зовнішнього боку. Коли і він вигоряє, спалахує наступний шар, і так далі. Потужний потік випромінювання буквально роздмухує зірку, і вона стає червоним гігантом.

Вмираюча зірка проходить ще через кілька метаморфоз, пов’язаних із горінням гелію, а іноді й більш важких елементів. Ми не детально описуватимемо цю агонію. Важливо те, що значна частина маси зірки розсіюється у просторі. Зірки масивніше десяти сонців розкидають її в лютому спалаху наднової. Більш скромні світила розлучаються зі своєю речовиною негаразд ефектно. Але результат однаковий: на місці колишньої зірки залишається хмара розрідженої матерії та щільне розпечене ядро, в якому вже не відбувається ніяких термоядерних реакцій.

Сяючий труп

Гравітація прагне стиснути це ядро. Тиск речовини намагається цьому перешкодити, але не завжди виходить. Зірки масою в десять і більше сонців залишають після себе занадто масивні залишки (1,5 маси Сонця і більше). Такий об’єкт приречений стиснутись у нейтронну зірку, а то й у чорну дірку. А от якщо залишок не такий масивний, стиск зупиняється до цієї метаморфози. Щоправда, «зоряний труп» все-таки виходить досить щільним: порівнянний за масою із Сонцем, розмірами він нагадує швидше за Землю. Це білий карлик.

Назва “білий” – умовність. Сіріус B і 40 Ерідана B, відкриті першими — саме білі, вони дали назву всім своїм побратимам. А взагалі справжній колір залежить від віку. Типовий білий карлик невдовзі після народження (тобто смерті батьківської зірки) має температуру поверхні близько 50 тисяч градусів і виглядає блакитним. Але поступово він остигає, адже термоядерні реакції, нагадаємо, вже закінчилися. Через мільярд років температура білого карлика опускається вп’ятеро, і тепер він справді виглядає білим. Ще за кілька мільярдів років охолодження він проходить стадії від жовтого до червоного кольору, а через десять мільярдів років (час, який можна порівняти з віком Всесвіту) взагалі перестає випромінювати світло. Але весь цей час він називається білим карликом, а не жовтим, червоним чи коричневим.

Загибель світів

Що ж під час усіх цих драматичних метаморфоз відбувається із планетами? На жаль, зазвичай нічого хорошого.

Вже при перетворенні світила на червоний гігант найближчим до нього планетам не поздоровиться. Наприклад, Сонце в цей момент так розшириться, що буквально проковтне Меркурій, Венеру та Землю. Втішає лише те, що до цієї катастрофи ще приблизно 5 мільярдів років.

Дальші від свого сонця світи мають шанси вціліти, але й вони не в безпеці. Наприклад, потік розпеченої плазми, яким спливає зірка, що втрачає масу, аж ніяк не нешкідливий. Він не такий руйнівний, як ударна хвиля наднової, але може позбавити землеподібну планету атмосфери.

Однак головна небезпека для планет, що уникли пащі червоного гіганта, виходить від сусідніх планет. Точніше, від їхньої гравітації.

Найсильніше планети притягуються, звичайно ж, до зірки. Але й тяжіння їх одне до одного теж не можна знехтувати. Ці взаємні впливи можуть звести тіло зі стабільної орбіти і впустити його на місцеве сонце (або, навпаки, викинути в міжзоряний простір). Ісаак Ньютон, першовідкривач закону всесвітнього тяжіння, чудово усвідомлював цю проблему. Стабільність Сонячної системи він пояснював не більше, ніж прямим втручанням Творця. На захист генія скажемо, що в його часи Сонячна система майже збігалася з відомим Всесвітом, так що його ручне налаштування було справою, що цілком належить божеству.

Сьогодні вчені обходяться без теологічних аргументів. Вони вважають, що планетні системи переживають бурхливу молодість, коли планети стикаються, міняються місцями і таке інше. Сонячна (і будь-яка інша) система пройшла через кілька нестабільних конфігурацій, не затримавшись в жодній з них саме тому, що вони були нестабільними. Тож її нинішній статечний рух — своєрідний результат природного відбору.

Однак нагадаємо: у процесі перетворення на білий карлик Сонце втратить значну частину своєї маси. Насилу знайдений баланс гравітаційних сил безповоротно порушиться. Отже, в системі знову почнеться вакханалія. І в цій чехарді деякі планети можуть небезпечно підійти близько до білого карлика.

Розірвати та проковтнути

Що означає «небезпечно близько»? Це означає, що планету можна розірвати приливними силами.

Приливні сили в основі дуже проста річ. Півкуля планети, звернена до зірки, знаходиться до неї дещо ближче, ніж протилежна, а отже, притягується сильніше. Саме цей ефект з боку Сонця та Місяця викликає припливи у земних океанах. Але й сама планета також трохи витягується, деформується. Якщо підійти до зірки надто близько, ця деформація перевищить межу міцності, і планета буде буквально розірвана на шматки. Пилова хмара, на яку вона перетвориться, потроху осяде на світило.

Як близько потрібно підібратися до білого карлика, щоб стати його жертвою? Приблизно на сонячний радіус (власний радіус білого карлика, нагадаємо, порівняємо із земним).

Багато системах подібні катаклізми вже сталися. Навколо деяких білих карликів спостерігаються хмари пилу та уламків, іноді досить великих . Щоправда, такі промовисті сліди катастроф спостерігаються рідко (скоріше лише тому, що їх складно помітити з нашими інструментами). Але є й інші свідчення.

Білі карлики мають тонку атмосферу, що майже повністю складається з водню та гелію — жалюгідних залишків колишніх запасів батьківської зірки. Але в атмосфері приблизно кожного четвертого об’єкта спостерігаються і важчі елементи, аж до заліза. Такі білі карлики називаються забрудненими (polluted).

Ці важкі елементи навряд чи можуть належати самій зірці, що остигає. Могутня гравітація надщільного тіла не дозволила б їм легковажно витати в атмосфері. Вважається, що це залишки планет, нещодавно розірваних та поглинених білим карликом. «Нещодавно» означає «не більше сотень мільйонів років». За цей час «докази» не встигають повністю піти в глибину білого карлика.

Що цікавого в цих розпечених газах, які колись були планетами? Вони дають нам рідкісний шанс зрозуміти, із чого складаються екзопланети.

Опір матеріалу

Зазвичай усе, що маємо, це радіус планети чи її маса. Склад доводиться мало не вгадувати, сподіваючись, що не буває скелястих планет розміром з Юпітер або газових з масою Землі. Звичайно, закони фізики дають нам вагомі підстави так рахувати. Але вердикти на кшталт «газовий гігант» чи «планета із твердих мінералів» важко назвати вичерпним описом.

Добре, коли маса та радіус екзопланети відомі одночасно. Тоді можна обчислити її середню густину, не спираючись на припущення. Однак це буває настільки рідко, що для виправлення ситуації Європейське космічне агентство спеціально запустило телескоп CHEOPS на орбіту . І в будь-якому разі середня щільність не дуже багато говорить про її склад. Навіть масові частки скелястого ядра, гідросфери та атмосфери можуть змінюватися в широких межах. А вже про таку дрібницю, як заміна натрію на магній чи кисню на азот, і говорити не доводиться.

Є ще одна можливість визначити хімічний склад екзопланети. Більшість відомих планет періодично проходить між своїм сонцем та нашими телескопами (завдяки цьому екзопланети в основному і відкриваються). Тоді промені зірки просвічують атмосферу планети наскрізь, і їх спектрі з’являються сліди її газів. Але склад атмосфери мало говорить про склад поверхні. Крім того, сучасні телескопи дозволяють провернути такий фокус лише з гігантськими планетами чи хоча б суперземлями. А тим часом нас, звичайно, найбільше займають землеподібні світи.

Космічна судмедекспертиза

І тут забруднені білі карлики дають шанс астрономам. Адже до атмосфери зірки-вбивці потрапляють саме ті атоми, з яких складалися зруйновані планети. З’ясувавши відносний вміст хімічних елементів, можна прикинути, з яких молекул і з яких мінералів складалися загиблі світи.

Нещодавно вчені з Каліфорнійського університету у Лос-Анджелесі оголосили про цікаве відкриття. Вони досліджували забруднений білий карлик G238-44, що знаходиться приблизно за 86 світлових років від Землі. Астрономи обробили дані кількох інструментів, включаючи уславлений «Хаббл». Завдяки цьому вони виміряли вміст в атмосфері G238-44 азоту, кисню, магнію, кремнію та заліза. Це спричинило їх до цікавого висновку.

Високий вміст заліза говорить про те, що на білий карлик падали металеві астероїди чи планети із залізними ядрами на зразок Землі. З іншого боку, велика кількість азоту вказує на крижані тіла типу комет або Плутона. Причому йдеться швидше про астероїди, ніж про планети: за оцінками дослідників, загальна маса, поглинена G238-44, менше місячної.

Поєднати два такі різні склади в одному небесному тілі немислимо. Усі теорії освіти планет стверджують, що скелясті астероїди утворюються поблизу зірки, а брили льоду — на далеких околицях системи. Правда, ці моделі відштовхуються від будови Сонячної системи і в цьому сенсі можуть бути упереджені. Але зрештою фізику не обдуриш. Невеликі крижані об’єкти на зразок Плутона не можуть утворитися близько до зірки: вони просто випарувалися б під її променями.

Таким чином, G238-44 став першим відомим білим карликом, на який падали об’єкти як першого (залізного), так і другого (крижаного) типу.

Що у цьому цікавого? По-перше, виходить, що хаос, викликаний перетворенням зірки на білий карлик, зачіпає навіть зовнішні околиці системи, де мешкають крижані тіла.

А по-друге, отримано свідчення, що зовнішній пояс крижаних тіл є не лише Сонцем. Про це говорять і деякі інші факти, наприклад спостереження екзометів .

Зауважимо, що деякі дослідники приписують кометам важливу роль у постачанні новонародженої Землі водою та органікою. Не виключено, що для виникнення життя потрібні не тільки тугоплавкі тіла на кшталт Землі, а й такі крижані гості. І якщо в існуванні численних скелястих екзопланет ми вже твердо впевнені, то поширеність «крижаних поясів» поки що під питанням.

Що ж, принаймні у системі G238-44, схоже, були обидва інгредієнти. Це вселяє деякий оптимізм, якщо тільки ми не натрапили випадково на дуже нетипову систему (що малоймовірно). Хоча, звичайно, можна тільки гадати, чи цвіло колись життя під світлом G238-44. А якщо й цвіла, вона навряд чи пережила перетворення свого сонця на білий карлик.