В последние годы астрономы разработали методы измерения содержания металлов в звездах с чрезвычайной точностью. Обладая этой способностью, астрономы исследовали звезды-близнецы, чтобы увидеть, как различается их металличность. Некоторые из этих родственных звезд имеют ярко выраженные различия в металличности.
Новое исследование показывает, что ответственность за это несут звезды, поглощающие каменистые планеты.
Корнатальные звезды рождаются в одном гигантском молекулярном облаке (GMC), хотя они не обязательно находятся в бинарных отношениях друг с другом. Ожидается, что эти звезды будут иметь очень схожую металличность, даже несмотря на то, что ни одна GMC не является полностью однородной, а небольшие различия характерны для звезд, которые формируются вместе. Но когда различия очевидны, должно быть какое-то другое объяснение.
Новое исследование под названием «Загрязнение металлами в звездах, подобных Солнцу, в результате разрушения планет с ультракоротким периодом» предполагает, что источником этих несоответствий являются скалистые планеты. Авторы — Кристофер Э. О'Коннор и Донг Лай из Северо-Западного университета и Корнелльского университета соответственно. Исследование размещено на сервере препринтов arxiv.org и отправлено в журналы AAS.
«Детальные исследования химического состава рождающихся звездных пар — звезд общего происхождения — обнаруживают неожиданно большие различия в содержании тугоплавких элементов», — пишут авторы. Авторы называют это загрязнением после того, как подобное происходит с белыми карликами. Источником этого загрязнения являются каменистые планеты, богатые металлами.
Экзопланеты со сверхкоротким периодом (USP) вращаются вокруг своих звезд очень близко и обычно совершают полный оборот всего за несколько часов. Они имеют состав, аналогичный земному, и редко превышают два земных радиуса. Их происхождение не ясно. Они могли бы сформироваться дальше и затем мигрировали ближе к своей звезде, или же они могли быть остатками гораздо более крупных планет, потерявших атмосферу из-за звездного облучения.
Планеты USP встречаются не очень часто. Они есть лишь у 0,5% звезд типа Солнца. Они очень горячие, поэтому их поверхности расплавлены, и они приливно привязаны к своим звездам.
Хотя это и редкость, они могут образовываться в больших количествах, а затем поглощаться своими звездами.
«Короткопериодические экзопланеты потенциально уязвимы для приливных разрушений и поглощения звездами-хозяевами», — пишут авторы. Исследования показывают, что от 3 до 30% родственных звезд главной последовательности, подобных Солнцу (FGK), поглотили каменистые планеты массой от 1 до 10 земных масс.
Есть много способов, которыми это может произойти. «В планетных системах возможны многие формы бурной динамической эволюции, каждая из которых потенциально способна ввести планету в звезду», — пишут О'Коннор и Лай. Однако данные показывают, что не более 2% одиночных звезд FGK загрязнены всеми насильственными механизмами вместе взятыми.
Астрономы предложили три основных сценария, при которых звезды могут поглотить планеты USP.
Один из них называется миграцией с высоким эксцентриситетом (high-e). В этом сценарии прото-USP становится очень близко к своей звезде и имеет высокий эксцентриситет. Из-за близости к звезде и гравитационного притяжения планета быстро теряет свой эксцентриситет и переходит на круговую орбиту.
Другой вариант – миграция с низким эксцентриситетом (low-e). В этом сценарии USP мигрирует к своей звезде медленнее. Миграция Low-e происходит в компактных системах с тремя и более планетами, что помогает смягчить ее эксцентриситет.
Третий сценарий – миграция, обусловленная смещением. В этом сценарии планета-спутник USP возбуждает наклон USP и захватывает его в вековом спин-орбитальном резонансе. USP быстро мигрирует к своей звезде, но миграция заканчивается, когда USP выходит из резонанса.
Авторы разработали модель, позволяющую предсказать количество образующихся УТП и время, необходимое для их поглощения. Их модель может воспроизвести как низкую наблюдаемую встречаемость USP вокруг звезд типа Солнца, так и их загрязненную металличность. Их результаты говорят в пользу сценария низкоэмиссионной миграции, в котором USP являются частью компактных многопланетных систем.
«Мы считаем, что поглощение USP является естественным следствием сценария миграции с низким уровнем выбросов. Таким образом, связь между USP и каменистыми планетами, поглощенными Солнцеподобными звездами, кажется правдоподобной», — пишут они.
Их результаты показывают, что USP поглощаются через 0,1–1 гигагод после формирования. Если это поглощение является основным источником загрязнения звезд, подобных Солнцу, авторы говорят, что существует корреляция между загрязнением и компактными многопланетными системами. «Около 5–10% загрязненных звезд должны иметь транзитную планету массой ? 5М? и период ~ 4–12 дней», — поясняют они. Они также предсказывают обратное: должна существовать антикорреляция между возникновением USP и загрязнением.
Авторы отмечают некоторые предостережения относительно своих результатов.
Признаки загрязнения металлами со временем могут исчезнуть. Металлы могут оседать в звезде, вызывая исчезновение сигнала. В зависимости от того, насколько это эффективно, это может означать, что наше понимание того, сколько звезд загрязнено, является неточным. Это может означать, что более 30% звезд, подобных Солнцу, загрязнены.
Второе предостережение заключается в том, что более жестокие механизмы могут привести к попаданию планет в их звезды. Рассеяние планет за планетами может привести к поглощению планет, особенно скалистых Суперземель. Однако авторы объясняют: «Мы обнаружили, что только ~ 1% звезд могут быть загрязнены в результате насильственного разрушения суперземель, несмотря на их повсеместное распространение в качестве экзопланет».
Их последнее предостережение касается Горячих Юпитеров (HJ). Эти планеты-газовые гиганты вращаются очень близко к своим звездам. Астрономы полагают, что HJ разрушаются в результате поглощения во время жизни своих звезд на главной последовательности. HJ также имеют такую же частоту возникновения, как и USP вокруг звезд типа Солнца. Справедливо задаться вопросом, способствуют ли они наблюдаемому загрязнению металлами.
Авторы говорят, что вполне возможно, что миграция с высоким эксцентриситетом может привести к поглощению звезд HJ. Однако они также отмечают, что есть веские основания сомневаться в этом. «Опять же, поглощенный HJ может не иметь такой же химической характеристики, как у каменистой планеты: массы и объемная металличность HJ различаются.
широко», — пишут они. Весь водород и гелий в ГП также могут разбавлять лишние металлы. Кроме того, приливное разрушение ГП может не привести непосредственно к поглощению. Вполне возможно, что массоперенос может превратить ГД в остаток суперземли, состоящий из исходного ядра и остаточной атмосферы.
По мнению О'Коннора и Лая, необходимы дополнительные исследования, прежде чем мы сможем понять, как HJ могут способствовать загрязнению звезд.
Их результаты также показывают, что звезда главной последовательности может сформировать только один USP во время своей главной последовательности, поэтому только один может быть поглощен. В компактной системе только самая внутренняя планета может подвергнуться достаточному приливному распаду, чтобы стать USP.
В своем заключении авторы пишут, что звезды, на которых размещены USP, должны иметь возраст и кинематику, аналогичные звездам поля Млечного Пути, и редко должны проявлять признаки предыдущего поглощения планет. Они также пришли к выводу, что загрязненные звезды FGK должны содержать компактные многопланетные системы.
