Co dzieje się z planetą, gdy gwiazda zamienia się w czerwonego olbrzyma? Nowe obliczenia pokazują, które światy mogą ocaleć.
Gwiazda rozrasta się do gigantycznych rozmiarów i pochłania krążącą wokół niej planetę. Wydawałoby się więc, iż dla takiego świata oznacza to nieuchronną zagładę, ale najnowsze symulacje pokazują, iż istnieją wyjątki. Niektóre planety mogą przetrwać choćby zanurzenie w zewnętrznych warstwach umierającej gwiazdy.
Szanse są jednak niewielkie, a ocaleńcy muszą spełnić wyjątkowo surowe warunki. Naukowcy przeanalizowali miliony możliwych układów planetarnych i ustalili, jakie obiekty mogłyby przetrwać taki scenariusz. Wyniki pozwalają również lepiej zrozumieć tajemnicze planety krążące niezwykle blisko białych karłów.
Gwiazda połyka planetę? To nie zawsze musi oznaczać jej koniec
Większość gwiazd nie pozostaje przez całe życie w takim stanie, w jakim obserwujemy dzisiaj Słońce. Po wyczerpaniu wodoru w jądrze gwiazdy o stosunkowo niewielkich masach przechodzą przez kolejne etapy ewolucji, podczas których ich zewnętrzne warstwy mogą rozrosnąć się do ogromnych rozmiarów. Powstaje czerwony olbrzym, zdolny pochłonąć planety krążące wcześniej w bezpiecznej odległości.
Taki los może spotkać również część planet Układu Słonecznego. Nie oznacza to jednak, iż każdy obiekt pochłonięty przez gwiazdę zostanie natychmiast zniszczony. Znaczenie mają jego masa, początkowa orbita oraz adekwatności otaczającej go materii.
Zespół kierowany przez Yadirę S. Gaibor z Massachusetts Institute of Technology postanowił sprawdzić, jakie warunki pozwalają planecie przetrwać przejście przez zewnętrzną otoczkę gwiazdy. W badaniu udostępnionym w serwisie arXiv naukowcy przedstawili wyniki symulacji obejmujących ewolucję gwiazd od etapu ciągu głównego aż do powstania białych karłów.
Istotne znaczenie ma proces określany jako ewolucja we wspólnej otoczce. Dochodzi do niego wtedy, gdy rozrastająca się gwiazda pochłania swojego towarzysza, który zaczyna poruszać się wewnątrz jej rozległych warstw gazowych. Towarzyszem może być inna gwiazda, ale w szczególnych przypadkach również bardzo masywna planeta.
Żeby przeżyć, planeta musi pomóc gwieździe pozbyć się gazu
Mechanizm przetrwania jest dość niezwykły. Planeta zanurzona w otoczce gwiazdy napotyka opór otaczającej ją materii, przez co stopniowo traci energię orbitalną i przemieszcza się coraz bliżej gwiezdnego jądra. Mogłoby się wydawać, iż to proces prowadzący wyłącznie do zniszczenia, ale uwalniana energia może jednocześnie pomóc gwieździe odrzucić jej zewnętrzne warstwy.
Jeżeli stanie się to wystarczająco szybko, zanim planeta ulegnie rozerwaniu lub odparowaniu, może ona pozostać na orbicie wokół odsłoniętego jądra gwiazdy. Po zakończeniu ewolucji gwiazdy powstaje biały karzeł, czyli niezwykle gęsta pozostałość o rozmiarach porównywalnych z Ziemią.
Oznacza to, iż planeta może przetrwać nie tylko samo zbliżenie do gwiazdy, ale choćby czas spędzony wewnątrz jej gazowej otoczki. Nie chodzi przy tym o całkowitą odporność na ekstremalne temperatury, ale o sytuację, w której usunięcie zewnętrznych warstw gwiazdy nastąpi wcześniej niż destrukcja planety.
Naukowcy sprawdzili taki scenariusz, wykorzystując modele ewolucji gwiazd o początkowej masie odpowiadającej 1 lub 2 masom Słońca. Dla różnych zestawów parametrów wygenerowali po 10 mln hipotetycznych układów planetarnych, uwzględniając masy gazowych olbrzymów, ich odległości od gwiazd oraz oddziaływania grawitacyjne.
Większość planet zostaje zniszczona. Ocalenie to rzadkość
Wyniki pokazują, jak bardzo wymagający jest taki proces. W wariancie opartym na parametrach uznanych przez autorów za najbardziej realistyczne, spośród 10 mln wygenerowanych układów nie znaleziono ani jednego przypadku przetrwania planety po przejściu przez wspólną otoczkę.
Sytuacja zmienia się wtedy, gdy naukowcy zwiększają efektywność wykorzystania energii potrzebnej do usunięcia gazowych warstw gwiazdy. W jednym z bardziej optymistycznych wariantów ocalały 1084 planety spośród 10 mln początkowych układów. przez cały czas jest to niezwykle mało, zwłaszcza iż model zakłada dodatkową energię pomagającą gwieździe pozbyć się otoczki.
Jeszcze bardziej optymistyczne scenariusze, uwzględniające znacznie większe zasoby energii, pozwalały zwiększyć udział ocalałych planet do około 0,1-1 proc. Autorzy zaznaczają jednak, iż nie wiadomo, czy tak korzystne warunki rzeczywiście występują w układach z planetami.
Obliczenia pokazują więc, iż fizyczna możliwość przetrwania nie oznacza powszechności tego zjawiska. Większość planet wchodzących do wspólnej otoczki nie zdoła oddać wystarczającej ilości energii, aby zatrzymać opadanie w kierunku gwiezdnego jądra.
Największe planety mają przewagę. Liczy się choćby 10 mas Jowisza
W przeprowadzonych przez naukowców symulacjach widać bardzo wyraźną prawidłowość. Największe szanse przetrwania mają wyjątkowo masywne gazowe olbrzymy, zwykle o masach przekraczających 10 mas Jowisza. To obiekty znajdujące się blisko granicy oddzielającej największe planety od brązowych karłów.
Dlaczego właśnie one? Masywniejsza planeta może uwolnić podczas spiralnego zbliżania się do jądra większą ilość energii orbitalnej. Dzięki temu istnieje większa szansa, iż zewnętrzna otoczka gwiazdy zostanie odrzucona, zanim planeta straci stabilność.
Ważna jest także odległość, w jakiej ocalały obiekt znajdzie się po zakończeniu tego procesu. Symulacje wskazują, iż planety przetrwałe dzięki temu mechanizmowi powinny krążyć niezwykle blisko białych karłów, często w odległości nieprzekraczającej 0,006 jednostki astronomicznej.
Takie orbity znajdują się bardzo blisko tzw. granicy Roche’a, czyli odległości, poniżej której siły pływowe gwiazdy mogą rozerwać towarzyszący jej obiekt. Przetrwanie wymaga więc zachowania niezwykle delikatnej równowagi pomiędzy utratą energii orbitalnej a uniknięciem całkowitego zniszczenia.
Znana nam planeta nie pasuje do tych obliczeń
Jednym z najciekawszych wniosków jest porównanie symulacji z rzeczywistym układem WD 1856+534. Znajduje się on około 80 lat świetlnych od Ziemi, a krążący tam gazowy olbrzym wykonuje pełen obieg wokół białego karła w zaledwie 1,4 dnia.
Jak pisaliśmy już wcześniej, obserwacje Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba pozwoliły dokładniej zbadać planetę, która przetrwała śmierć swojej gwiazdy. Szczególnie interesujące jest to, iż obecna orbita WD 1856+534 b przebiega znacznie bliżej gwiazdy, niż wynosiły rozmiary jej poprzedniczki w fazie czerwonego olbrzyma.
Nowe obliczenia sugerują jednak, iż planeta ta raczej nie przetrwała bezpośredniego pochłonięcia. Jej szacowana masa wynosi około 5 mas Jowisza, a odległość orbitalna to około 0,02 jednostki astronomicznej. Obie wartości odbiegają od typowych parametrów ocalałych obiektów w symulacjach.
To niezwykle ważna wskazówka dotycząca historii układu. Według autorów bardziej prawdopodobne jest, iż planeta znajdowała się pierwotnie dalej od swojej gwiazdy i dopiero po zakończeniu jej ewolucji przeniosła się na obecną orbitę. Taka migracja mogła być skutkiem oddziaływań grawitacyjnych, które najpierw silnie wydłużyły orbitę, a następnie pozwoliły na jej stopniowe zacieśnienie.
Podobne trudności pojawiają się przy próbie wyjaśnienia pochodzenia kandydatki na planetę WD 0310-688 b. Ona również nie pasuje do typowej populacji obiektów, które według symulacji powinny przetrwać przejście przez wspólną otoczkę.
Śmierć gwiazdy może pozostawić po sobie różne historie planet
Co ciekawe, nie jest to pierwsza próba ustalenia, co dzieje się z planetami wpadającymi w rozgrzane wnętrza swoich gwiazd. Niedawno opisywaliśmy symulacje wskazujące, iż młode Słońce mogło pochłonąć masywną planetę i zachować ślady tego wydarzenia. Tamte obliczenia dotyczyły jednak innego procesu i skupiały się przede wszystkim na jego wpływie na strukturę naszej gwiazdy.
W przypadku najnowszego badania celem jest przede wszystkim ustalenie, jakie populacje planet powinny pozostać wokół białych karłów, jeżeli część z nich rzeczywiście przechodzi przez wspólną otoczkę. Wyniki mogą posłużyć do oceny pochodzenia przyszłych odkryć, zwłaszcza gdy uda się precyzyjnie zmierzyć masę planety oraz jej odległość od gwiezdnej pozostałości.
Warto przy tym pamiętać, iż astronomowie badają także możliwość powstawania nowych planet z materii pozostawionej przez umierające gwiazdy. Obecność planety przy białym karle nie musi więc oznaczać, iż przetrwała ona całą wcześniejszą ewolucję gwiazdy na swojej obecnej orbicie.
Autorzy najnowszych symulacji sami podkreślają, iż ich model nie uwzględnia wszystkich możliwych procesów, w tym dodatkowych towarzyszy planetarnych czy przyrostu masy planety podczas jej zanurzenia w gwiezdnej otoczce. Takie zjawiska mogą zmienić ocenę szans przetrwania. Rozstrzygające będą kolejne obserwacje białych karłów, m.in. z wykorzystaniem danych obserwatorium Vera C. Rubin.
*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI
