Упрямые астероиды вокруг белых карликов сопротивляются превращению в пыль

Фото из открытых источников

Белые карлики — это остатки звёзд, подобных нашему Солнцу. Для своего размера — они примерно равны по размеру Земле — они чрезвычайно плотные и имеют массу, равную массе Солнца. Это означает, что они обладают огромной гравитационной силой, достаточной для того, чтобы разрывать объекты, которые приближаются к ним слишком близко.

Долгое время белые карлики казались одинокими в космосе, не имея звёздных компаньонов. Затем наблюдения показали, что некоторые их поверхности загрязнены металлами. Астрономы предположили, что эти металлы выпадают на их поверхности в виде каменистых обломков. Затем появились наблюдения, показавшие, что некоторые белые карлики окружены дисками из обломков. После этого ещё более точные наблюдения выявили наличие каменистых тел в этих дисках: небольших планет, лун или астероидов.

Примером тому служит WD 1145+017, вокруг которого, по-видимому, вращаются несколько небольших каменистых тел, разрывающихся на части и выбрасывающих обломки на поверхность белого карлика.

Учёных интересует этот процесс и то, насколько эффективно белые карлики могут разрывать более мелкие тела и образовывать диски из обломков. По мере обнаружения белых карликов с дисками, астероидов и даже планетных систем, необходимо постоянно искать новые объяснения.

В новом исследовании, опубликованном в журнале The Astrophysical Journal Letters, ученые изучили, насколько эффективно приливные силы белых карликов могут разрушать астероиды. Исследование называется «Ограничения по размеру приливного мусора вокруг белых карликов: километровый барьер». Ведущий автор — Джордан К. Стеклофф из Института планетологии.

«Компактные диски из планетных обломков, вращающиеся вокруг белых карликов, предоставляют важнейшее окно для понимания эволюционировавших планетных систем», — пишут авторы. «Формирование этих дисков широко моделировалось с помощью приливной фрагментации малых планет, представляющих собой груды обломков, не обладающие внутренней прочностью».

Это проблема, потому что настоящие груды обломков обладают некоторой прочностью сцепления. Кроме того, все три астероида, которые мы исследовали — Итокава, Рюгу и Бенну — представляют собой груды обломков. Сила, которая удерживает эти типы астероидов вместе, называется силой Ван дер Ваальса. Это слабая, короткодействующая сила, которая притягивает и отталкивает атомы и молекулы. Но, как показывают лапки гекконов, она может быть очень эффективной.

В своей работе Штеклофф и его соавторы показывают, что происходит, когда эта прочность учитывается в моделировании: «Разрушение этих груд обломков определяет максимальный размер фрагмента, и мы рассчитываем этот размер для водяного льда, железа и плотности материала, соответствующей лунным высокогорьям, Весте и Земле», — пишут они.

«Ничто не является по-настоящему бессильным», — сказал Штеклофф. «Крошечные силы притяжения между песчинками, называемые силами Ван дер Ваальса, придают кометам и астероидам силу, как минимум в 10–100 раз меньшую, чем сила, возникающая при разрыве свежевыпавшего снега».

Согласно этим исследованиям, типичная внутренняя прочность груды обломков составляет примерно 10–1000 Па, что примерно в миллион раз слабее, чем у твердой породы. В этом диапазоне максимальный размер фрагментов примерно такой же, как у небольших астероидов, от 0,1 до 1 км в диаметре. «Этот предел — километровый барьер — также представляет собой характерные размеры приливных фрагментов», — объясняют авторы. «Большая часть массы обломков содержится во фрагментах такого размера».

Авторы утверждают, что в результате модели формирования дисков вокруг белых карликов должны включать еще один фактор, генерирующий пыль, чтобы объяснить наблюдаемые пылевые диски. Вероятно, это будут столкновения, а не приливные силы.

Сила, определяющая конечное состояние диска, называется силой сопротивления Пойнтинга-Робертсона. Она объясняет, как солнечное излучение воздействует на пылевые частицы вокруг звезд, включая белые карлики, заставляя пыль закручиваться внутрь по спирали. Это работает только в том случае, если пылевые частицы достаточно малы, чтобы подвергаться воздействию силы сопротивления, но не настолько велики, чтобы давление излучения отталкивало их. Данная работа показывает, что одной лишь фрагментации недостаточно для образования пыли такого малого размера.

Наблюдения в нашей Солнечной системе подтверждают эти результаты. Когда комета Шумейкера-Леви 9 приблизилась к Юпитеру в 1992 году, мощная приливная сила газового гиганта разорвала комету на части. Но не на пыль; вместо этого комета была разорвана на фрагменты диаметром от 100 до 1000 метров, которые затем упали на планету.

Исследование выходит за рамки размеров фрагментов астероидов в дисках. Оно также показывает, что фрагменты сохраняют свои орбиты. Они испытывают лишь крошечные, дробные изменения скорости «порядка от одной части на миллион до одной части на 100 миллионов», — объясняют авторы. «Такие крошечные изменения скорости приводят к незначительным изменениям орбит фрагментов, которые остаются практически на той же орбите, что и до разрушения».

В формировании пылевого диска белого карлика участвует множество факторов, и данная работа накладывает важное ограничение на один из них. «Понимание процесса перехода от неповрежденной малой планеты к морю пыли, аккрецируемому на белый карлик, является сложной задачей», — пишут авторы. «В этом письме мы демонстрируем жесткое ограничение на первый этап этого процесса». Работа показывает, что для образования пылевых дисков белых карликов необходим какой-либо процесс измельчения, например, столкновения.

«Понимание деталей процесса образования и эволюции обломков вокруг белых карликов важно для того, чтобы поместить наблюдения в контекст», — сказала соавтор исследования Кэт Волк из Института планетологии. «Это поможет нам понять, что происходит с малыми телами, вращающимися вокруг звезды на заключительных этапах ее жизни».