Okołopodwójne wyrzutki: krótkookresowe układy podwójne mogą pozbywać się swoich planet

Wizja artystyczna przedstawiająca Keplera-16b, pierwszą znaną planetę krążącą wokół dwóch gwiazd. Źródło: NASA/JPL-Caltech/T. Pyle

Najnowsze badania przeprowadzone przez badaczy z University of Washington wskazują, że planety krążące wokół “krótkookresowych” układów podwójnych lub gwiazdy  zblokowane w ciasnym orbitalnym uścisku, mogą być wyrzucane w przestrzeń kosmiczną w wyniku ewolucji gwiazdy macierzystej.

Wyniki badań pomogą wyjaśnić dlaczego 784+astronomowie odkryli tak niewiele planet krążących wokół układów podwójnych – pomimo obserwowania tysięcy krótkookresowych układów podwójnych, w których okres obiegu gwiazd wynosi 10 dni lub mniej.

Oznacza to także, że taki podwójny układ gwiazd jest nieszczególnym celem, na który warto by było kierować nadchodzące teleskopy naziemne i kosmiczne w poszukiwaniu planet sprzyjających powstaniu życia.

Istnieje kilka różnych typów gwiazd podwójnych, takie jak układy podwójne wizualne czy spektroskopowe, nazywane tak od sposobów w jakich astronomowie są w stanie je obserwować. W artykule zaakceptowanym do publikacji w periodyku Astrophysical Journal, główny autor opracowania David Fleming, doktorant na UW, analizuje zaćmieniowe układy podwójne, w których płaszczyzna orbity znajduje się tak blisko linii naszego widzenia, że obie gwiazdy widziane z Ziemi wydają się przechodzić na tle tarczy swojego towarzysza. Fleming przedstawi swoje wyniki podczas konferencji Division on Dynamical Astronomy, która odbędzie się 15-19 kwietnia.

Gdy zaćmieniowe układy podwójne okrążają wspólny środek masy w ciągu 10 dni lub szybciej – zastanawiał się Fleming ze swoimi współpracownikami – to czy pływy – siły grawitacyjne wywierane na gwiezdnego towarzysza, mają jakiekolwiek skutki dynamiczne dla takiego układu gwiazd?

“Właśnie to odkryliśmy” wykorzystując symulacje komputerowe – twierdzi Fleming. “Siły pływowe przenoszą moment pędu rotacji gwiazd na orbity. Spowalniają rotację gwiazd, poszerzając okres orbitalny”.

Przeniesienie momentu pędu powoduje nie tylko zwiększanie orbity ale także jej ukołowienie z początkowej orbity eliptycznej. W wystarczająco długiej skali czasowej, spin obu gwiazd także ulega synchronizacji, tak jak w przypadku Księżyca, który zsynchronizowany jest z Ziemią, przez co cały czas widzimy tylko jedną jego stronę.

Rozszerzające się orbity gwiazd docierają do planet, które pierwotnie były bezpieczne i po prostu wyrzucają je z układu – mówi Rory Barnes, współautorka artykułu. Wyrzucenie jednej planety w ten sposób może zaburzyć orbity innych planet prowadząc do lawinowego wyrzucania kolejnych planet z układu.

Jeszcze bardziej wymagający dla planet krążących wokół układów podwójnych jest tak zwany region niestabilności zdominowany przez rywalizujące oddziaływanie grawitacyjne obu gwiazd. “To obszar, w który planeta nie może wlecieć – jeżeli wleci, to zostanie wyrzucona z układu” mówi Fleming. “Potwierdziliśmy to w naszych symulacjach”.

To tak zwana “granica stabilności dynamicznej”. Przesuwa się ona na zewnątrz wraz z rozrastaniem się orbity gwiazd, docierając do planet i zaburzając ich stabilne orbity, a w końcu wyrzucając je z układu.

Inną intrygującą cechą takich układów podwójnych, wykrytą przez innych naukowców na przestrzeni lat jest fakt, że planety mają tendencję do orbitowania tuż za tą granicą stabilności, do zbierania się tam. Jak planety docierają do tego obszaru nie wiadomo; być może tam powstają, a być może migrują z dalszych ostępów swoich układów planetarnych.

Stosując swój model do znanych krótkookresowych gwiazd podwójnych, Fleming wraz ze współpracownikami odkrył, że ta pływowa ewolucja układów podwójnych usuwa co najmniej jedną planetę w 87 procentach wieloplanetarnych układów okołopodwójnych, a często więcej. Nawet to jest optymistycznym założeniem – Barnes twierdzi, że taka sytuacja może zachodzić w 99% przypadków.

Badacze nazwali ten proces STEEP (ang. Stellar Tidal Evolution Ejection of Planets). Przyszłe detekcje (lub ich brak) okołopodwójnych planet wokół krótkookresowych gwiazd podwójnych będą stanowiły najlepszy pośredni test obserwacyjny procesu STEEP.

Źródło: University of Washington