Ученые выяснили, как образуются планеты-изгои

Фото из открытых источников

Планеты-изгои звучат как редкие путешественники среди звезд, освобожденные от гравитационных ограничений системы-хозяина и обреченные вечно скитаться в межзвездной пустоте. 

Но современные модели предполагают, что эти свободно плавающие планеты (СПП), как их технически называют, на самом деле очень распространены — в девятнадцать раз чаще, чем планеты за «снежной линией», то есть на расстоянии от центральной звезды, где становится достаточно холодно, чтобы водородные соединения, такие как вода, аммиак и метан, могли конденсироваться в лед. Но почему СПП так распространены? Что заставляет их покидать звездные системы, в которых они образуются? Новая статья Сяочэня Чжэна из Пекинского планетария и его соавторов, доступная в препринте на arXiv, предлагает правдоподобное объяснение — планетарные «выпрыгивающие» планеты.

Современные теории образования планетных галактик варьируются от теории изолированных газовых облаков, схлопывающихся в планету, но не обладающих достаточной массой для образования звезды, до хаотичных процессов рассеяния планет друг от друга, в результате которых планеты на ранних стадиях развития разлетаются во все стороны. Согласно статье, вторая идея ближе к истине, но требует дополнительных аргументов.

В других солнечных системах распространены два типа экзопланет: близкие, горячие «суперземли» и «горячие юпитеры», вращающиеся вблизи своей звезды, и далёкие, холодные газовые гиганты, подобные Сатурну и Юпитеру в нашей Солнечной системе. Но, что особенно важно, многие новообразованные звёзды также формируются с компаньоном, или двойной системой. И эта звезда-компаньон может нанести сокрушительный удар по гравитационному равновесию новой планетной системы.

В результате процесса, известного как механизм фон Цейпеля-Лидова-Козаи (vZLK), удаленное возмущающее тело, например, звезда-компаньон, может постепенно искажать орбиту «холодной» планеты — то есть планеты, вращающейся на большом расстоянии от своей звезды. За миллионы лет механизм vZLK приводит к сжатию и растяжению орбиты планеты до тех пор, пока она не станет сильно эксцентричной — по сути, превратившись в длинный, падающий овал.

На одном конце этого овала «планета-пришелец» пересечётся с густонаселённой внутренней частью Солнечной системы, где обычно находятся короткопериодические суперземли и горячие юпитеры. Когда две орбиты столкнутся, начнётся гигантская игра в космический бильярд. Две планеты не обязательно должны столкнуться напрямую, хотя такое иногда случается. Но исследователи обнаружили, что во время тесного сближения (что гораздо более вероятно) две планеты обмениваются орбитальной энергией.

Поскольку «холодная» планета уже имеет относительно слабую связь со своей звездой, небольшого гравитационного толчка от этого обмена энергией иногда бывает достаточно, чтобы вытолкнуть её за пределы скорости убегания, разорвав гравитационную связь со звездой и создав эффект «отталкивания» (FFP). Согласно моделированию автора, горячие юпитеры особенно эффективны в этом «отталкивающем» эффекте — они выбрасывают планеты массой с Юпитер в 80% случаев. Суперземли, с другой стороны, выбрасывают планеты размером с Юпитер лишь примерно в 6,5% случаев, но хорошо справляются с выбрасыванием других «холодных» суперземель, отправляя их в межзвездное пространство в 52% случаев.

Как и следовало ожидать, внутренние планеты не остаются невредимыми после этих титанических усилий. В некоторых случаях гравитационное взаимодействие отнимает у внутренней планеты столько углового момента, что она начинает двигаться по спирали внутрь и полностью поглощается звездой. В других сценариях, даже если они выживают, их орбиты остаются сильно изуродованными, с произвольными наклонами, сильно эксцентричными орбитами, а иногда даже полностью перевернутыми.

Дальнейший анализ данных показывает, что около 8% случаев возникновения новых планетных систем, вероятно, связаны с подобными взаимодействиями типа «планетарного шаттла». Хотя это может показаться незначительным, учет огромного количества таких случаев демонстрирует, насколько распространенным может быть этот тип взаимодействия. Это также подчеркивает, насколько динамичными, взаимосвязанными и опасными могут быть ранние планетные системы.

С помощью будущих телескопов, таких как космический телескоп Нэнси Грейс Роман, мы сможем обнаружить множество новых ФПФ (Fear of Fallout), данные которого предоставят экспериментальные доказательства некоторых идей, изложенных в статье. Возможно, в какой-то момент нам даже посчастливится наблюдать за одной из этих ранних звездных систем, переживающих этот процесс, и мы сможем увидеть, как еще одна планета выбрасывается в долгую темную ночь.