Существует множество планет, которые дрейфуют в космосе, не привязанные ни к каким звездам. Их называют планетами-изгоями или свободно плавающими планетами (FFP). Некоторые FFP живут одиночками, никогда не наслаждаясь обществом звезды. Но большинство из них каким-то образом выбрасывается из солнечных систем, и это может произойти по-разному.
Один исследователь решил попытаться понять популяцию FFP и то, как она возникла.
В научной литературе FFP также называют изолированными объектами планетарной массы (iPMO), но независимо от того, какое название используется, это одно и то же. Эти планеты бродят по межзвездному пространству самостоятельно, оторванные от каких-либо связей со звездами или другими планетами.
FFP загадочны, потому что их чрезвычайно трудно обнаружить. Но астрономы становятся лучше в этом и получают более совершенные инструменты для решения этой задачи. В 2021 году астрономы предприняли решительную попытку обнаружить их в Верхнем Скорпионе и Змееносце и обнаружили 70 из них, а возможно, и больше.
В широком смысле существует два способа формирования FFP. Они могут формироваться, как и большинство планет, в протопланетных дисках вокруг молодых звезд. Эти планеты образуются в результате аккреции пыли и газа. Или они могут образоваться, как это делают звезды, путем коллапса в облаке газа и пыли, не связанном со звездой.
Для планет, которые формируются вокруг звезд и в конечном итоге выбрасываются, существуют разные механизмы выброса. Они могут быть выброшены в результате взаимодействия со своими звездами в двойной звездной системе, они могут быть выброшены при пролете звезды или в результате рассеяния между планетами.
Стремясь лучше понять популяцию СЗП, один исследователь изучил выброшенные СЗП. Он смоделировал планеты-изгои, возникающие в результате взаимодействия между планетами, и те, которые происходят из двойных звездных систем, где взаимодействие с их двойными звездами выбрасывает их. Может ли быть способ отличить их друг от друга и лучше понять, как эти объекты возникают?
Новая статья под названием «О свойствах свободно плавающих планет, происходящих из околоземных планетных систем» решила эту проблему. Автор — Гэвин Коулман с факультета физики и астрономии Лондонского университета Королевы Марии. Статья будет опубликована в Ежемесячных уведомлениях Королевского астрономического общества.
В своей статье Коулман отмечает, что исследователи изучили, как формируются FFP, но еще многое предстоит сделать. «Многочисленные работы исследовали механизмы формирования таких объектов, но еще не предоставили предсказания об их распределении, которые могли бы дифференцировать механизмы формирования», — пишет он.
Коулман сосредотачивается на выброшенных звездах, а не на звездах, которые сформировались как блуждающие. Он избегает планет-изгоев, возникающих в результате взаимодействия с другими планетами, потому что рассеяние между планетами не так значительно, как другие типы выбросов. «Стоит отметить, что рассеяние планет вокруг одиночных звезд не может объяснить большое количество FFP, наблюдаемых в наблюдениях», — объясняет Коулман.
Коулман в своей работе выделяет двойные звездные системы и окружающие их планеты. Предыдущие исследования показывают, что планеты естественным образом выбрасываются из околоземных систем. В своих исследованиях Коулман моделировал двойные звездные системы и поведение планет, выброшенных из этих систем. «Мы обнаруживаем существенные различия между планетами, выброшенными в результате взаимодействия между планетами, и планетами, выброшенными двойными звездами», — пишет он.
Коулман основывал свои симуляции на двойной звездной системе под названием TOI 1338. У TOI 1338 есть известная околоземная планета под названием BEBOP-1. Использование известной двойной системы с подтвержденной орбитальной планетой обеспечивает прочную основу для его моделирования. Это также позволило ему сравнить свои результаты с другими моделями, основанными на BEBOP-1.
При моделировании варьировалось несколько параметров: начальная масса диска, бинарное разделение, сила внешней среды и уровень турбулентности в диске. Эти параметры сильно влияют на формирующиеся планеты. В других параметрах использовалось только одно значение: объединенная звездная масса, отношение масс и эксцентриситет двойной системы. Суммарная звездная масса TOI 1338 составляет около 1,3 солнечных масс, что соответствует средней массе двойных систем около 1,5 солнечных масс.
Каждая симуляция длилась 10 миллионов лет, этого достаточно, чтобы Солнечная система сформировалась.
Коулман обнаружил, что циркумбинарные системы эффективно производят СЗП. В симуляциях каждая двойная система выбрасывает в среднем от двух до семи планет с массой более одной Земли. Для планет-гигантов с массой более 100 масс Земли количество выброшенных планет падает до 0,6 выброшенных планет на систему.
Моделирование также показало, что большинство планет выбрасываются из своих околобитных дисков в период от 0,4 до 4 миллионов лет после начала моделирования. В этом возрасте циркумбинарный диск не рассеялся и не сдулся.
Самый важный результат может касаться дисперсии скоростей FFP. «Поскольку планеты выбрасываются из систем, они сохраняют значительные избыточные скорости — от 8 до 16 км.?1. Это намного больше, чем наблюдаемая дисперсия скоростей звезд в местных областях звездообразования», — объясняет Коулман. Это означает, что дисперсию скоростей FFP можно использовать для того, чтобы отличить изгнанных от тех, кто сформировался как одиночка.
Дисперсия скоростей дает еще одно окно в популяцию FFP. Моделирование Коулмана показывает, что дисперсия скоростей FFP, выброшенных в результате взаимодействия с двойными звездами, примерно в три раза больше, чем дисперсия планет, выброшенных в результате рассеяния между планетами.
Коулман также обнаружил, что уровень турбулентности в диске влияет на выброс планеты. Чем слабее турбулентность, тем больше планет выбрасывается. Турбулентность также влияет на массу выброшенных планет: более слабая турбулентность выбрасывает менее массивные планеты, где около 96% выброшенных планет имеют массу менее 100 земных.
В совокупности моделирование дает возможность наблюдать за популяцией FFP и определять ее происхождение. «Различия в распределении масс FFP, их частотах и избыточных скоростях могут указывать на то, являются ли одиночные звезды или циркумбинарные системы фундаментальным местом рождения FFP», — пишет Коулман в своем заключении.
Но автор также признает недостатки своих симуляций и поясняет то, о чем симы нам не говорят.
«Однако, хотя эта работа содержит многочисленные симуляции и исследует широкое пространство параметров, она не представляет собой полную совокупность формирующихся циркумбинарных систем», — пишет Коулман в своем заключении. По словам Коулмана, при нынешних технологиях невозможно получить полную совокупность этих систем.
«Если такая популяция будет проведена в будущих работах, то сравнение этой популяции с наблюдаемыми популяциями даст еще более ценную информацию об образовании этих интригующих объектов», — объясняет он.
Астрономы до сих пор многое не знают о бинарных системах и о том, как они формируют и выбрасывают планеты. Во-первых, модели формирования планет постоянно пересматриваются и пополняются новой информацией.
У нас также нет четкого представления о том, сколько существует FFP. Некоторые исследователи полагают, что их могут быть триллионы. Предстоящий космический телескоп Нэнси Грейс Роман будет использовать гравитационное линзирование для проведения переписи экзопланет, включая выборку FFP с массой такой же маленькой, как у Марса.
В будущей работе Коулман намерен определить, существуют ли различия в химическом составе между FFP. Это ограничило бы типы звезд, вокруг которых они формируются, и место их формирования в протопланетных дисках. Это потребует спектроскопических исследований FFP.
Но, по крайней мере, на данный момент Коулман разработал более эффективный способ понимания FFP. Используя эти данные, астрономы смогут начать понимать, откуда взялись отдельные FFP, и лучше понять популяцию в целом.
