9 Minutės
Kai planeta yra suplėšoma ir įsiurbiama mirštančios žvaigždės, jos sudedamosios dalys neišnyksta — jos tampa teisiniais ir astronominiais pėdsakais. Astronomai stebėję netoliese esančią baltoji nykštukę perskaitė šiuos cheminius pirštų atspaudus ir atskleidė senovinės, Žemę primenančios planetos sudėtį, kuri jau ilgai nebeegzistuoja. Tai leidžia ne tik išsiaiškinti planetos cheminę sudėtį, bet ir suvokti ilgalaikę planetų sistemos evoliuciją bei stabilumo mechanizmus.
A startling find at Mauna Kea: a white dwarf eating a planet
Naudodamiesi W. M. Keck observatorija Mauna Kea, tyrėjai aptiko 13 sunkiųjų elementų spektrinius ženklus baltoji nykštukės, žinomos kaip LSPM J0207+3331, atmosferoje. Ši žvaigždė, panaši į mūsų Saulę, dabar yra mirusi ir yra maždaug už 145 šviesmečių Dvynių žvaigždyne. Atrodo, kad ši baltoji nykštukė absorbuoja medžiagą iš suirtos planetinės sistemos dalies — o surinkti duomenys rodo, kad suardymas įvyko daugiau nei prieš 3 milijardus metų po to, kai žvaigždė tapo balta nykštuke.
Šis aptikimas buvo atliktas naudojant aukštos skiriamosios galios spektroskopiją Keck teleskopuose, derinant redakcinę analizę ir kompiuterinius modelius, skaičiuojančius elementų santykius. Dėl didelio signalo ir geros spektrinės aprėpties mokslininkai galėjo identifikuoti daugelį elementų su pakankama tikimybe, kas yra reta tokio tipo šaltinyje. Tai ne tik pavienis atradimas — jis papildomai patikrina, kad senos planetinės liekanos gali būti aptiktos net vėlyvose žvaigždės evoliucijos stadijose.
Artist's impression of the white dwarf LSPM J0207+3331 gravitationally destroying an asteroid. It is the oldest, coldest white dwarf known to be surrounded by a debris disk
Atrasti aktyvią akreciją aplink tokį seną ir vėsią baltąją nykštukę buvo netikėta. Kaip pažymi Érika Le Bourdais iš Monrealio universiteto, pagrindinė straipsnio autorė, vėlyvas suardymas „iššaukia mūsų supratimą apie planetinių sistemų evoliuciją“. Svarbiau tai, kad tai suteikia retą galimybę pažvelgti į egzoplanetos vidinę sudėtį — informaciją, kuri kitu atveju būtų nepasiekiama tiesioginei vaizdų analizėi ar tranzitinei spektroskopijai.
Be tiesioginės sensacijos, šis atvejis suteikia mokslininkams praktinį pavyzdį, kaip planetos cheminė sudėtis „įrašoma" į žvaigždės atmosferą. Tokie surinkti duomenys padeda susieti spektrines linijas su konkrečiais mineraliniais komponentais (pvz., oksidais, metalais), o tai leidžia rekonstruoti ankstesnės planetos geologinę ir cheminių procesų istoriją.
Chemical fingerprints: what the star’s atmosphere revealed
Baltoji nykštukės paprastai turi palyginti paprastas ir švariąsias atmosferas. Tačiau kai suirusios planetos fragmentai spiraliai artėja prie žvaigždės ir išgaruoja, sunkieji elementai — tokie kaip magnis, geležis, silicis ir nikelis — „užteršia" žvaigždės išorinius sluoksnius. LSPM J0207+3331 atveju mokslininkai identifikavo 13 skirtingų sunkiųjų elementų vandenilio turtingoje fotosferoje — tai didžiausias toks elementų kiekis, praneštas apie vandeniliu dominuojančią baltąją nykštukę.
Tai yra reikšminga, nes vandenilio turtingos baltoji nykštukės yra gana paplitusios ir, ypač vėsesnėse pavyzdžiuose, jų atmosferos yra optiškai tankios. Sunkieji elementai tokiose atmosferose nusėda labai greitai — kartais per dienas — todėl juos aptikti sudėtinga. Priešingai, helio turtingos baltoji nykštukės saugo užterštumus matomus milijonus metų. Todėl tokio daugiakomponenčio „užteršimo" aptikimas vėsioje, vandenilio dominuojančioje nykštukėje rodo, kad į žvaigždę pateko reikšmingas ir nesenas planetinis kiekis.
Iš išmatuotų elementų santykių tyrėjai daro išvadą, kad sunaikintas objektas turėjo palyginti didelę branduolio masės dalį — apie 55 procentus. Kitaip tariant, daugiau nei pusė planetos masės buvo koncentravusis metalo branduolyje. Tam palyginti pateikiami viduriai: Merkurijaus branduolio dalis yra apie 70 procentų, o Žemės — maždaug 32 procentai. Tėvinė kūno skersmens apytikslė reikšmė yra maždaug 200 kilometrų (apie 120 mylių) arba didesnė, o struktūra — diferencijuota: uolinis pluta ir mantija, supantys tankų metalinį branduolį, panašiai kaip mūsų Saulės sistemos tvirtos planetos.
Tai rodo, kad sunaikintas kūnas nebuvo paprasta nediferencijuota asteroidų masė, o greičiau labiau susiformavęs planetinis blokas, praeitame gyvavimo etape patyręs termodinaminę ir cheminę diferenciaciją. Tokia struktūra yra svarbi indikatorė planetų formavimosi ir evoliucijos modeliams, nes ji atspindi ankstyvą šiluminį ir geocheminį procesą, leidusį sunkiems metalams sulįsti į centrines sritis, o lengvesnėms uolienoms formuoti išorines sluoksnis.
How does a planet get shredded so long after the star died?
Vienas iš didžiausių galvosūkių yra laiko aspek tas. Kodėl planeta būtų stumta į baltoji nykštukę milijardus metų po žvaigždės mirties? Yra kelios pagrindinės galimos priežastys: žvaigždės masės netekimas jos evoliucijos metu gali destabilizuoti orbitinius rezonansus; išlikusios masyvios planetos gali lėtai trikdyti mažesnius kūnus, paversdamos juos žvaigždę kertančiomis orbitomis; arba ilgalaikė chaotinė dinamika kelių planetų sistemoje galiausiai nuleidžia planetinį fragmentą link centrinės žvaigždės.
„Akivaizdu, kad kažkas sutrikdė šią sistemą gerokai po žvaigždės mirties,“ pažymi bendraautorius John Debes iš Space Telescope Science Institute. Tiksli mechanizmo seka lieka neaiški. Tolimų, vėsių milžiniškų planetų aptikimas, kurios galėtų inicijuoti tokį vėlyvą nestabilumą, yra sudėtingas dėl mažo spindulių kontrasto ir ilgos orbitalinių periodų trukmės. Vis dėlto archyviniai astrometrijos duomenys iš ESА misijos Gaia kartu su infraraudonųjų spindulių stebėjimais iš NASA James Webb kosminio teleskopo (JWST) galėtų atskleisti slėptus kaltininkus.
Be pavienių scenarijų, dinaminiai modeliai leidžia įvertinti, kiek ilgai po žvaigždės perėjimo į raudonąjį milžiną ir vėliau į baltą nykštukę sistema gali išlaikyti nestabilius orkestrus. Pavyzdžiui, elastiniai svyravimai išlikusių milžiniškų planetų orbitose gali per šimtus milijonų ar milijardus metų pamažu didinti ekscentriškumus ir pervesti mažesnius kūnus į žvaigždę kertančias trajektorijas. Kitas svarbus faktorius — daugiau kūnų sugrūtimai per orbitalines rezonansų grandines, kai viena planeta „pastumia" kitą, o ši savo ruožtu veikia asteroidų juostą ar likusias uolienas.
Observacinės strategijos, skirtos rasti tokius veiksnius, apima ilgalaikes astrometrines kampines stebėjimo kampanijas, gilų infraraudonųjų spindulių tyrimą, taip pat radijo ir mikrobangų priemones, kurios kartais gali atskleisti tarpgalaktines daleles arba šiluminį foną, susijusį su šaltais milžinais. Nors tokie aptikimai yra sudėtingi, jų suradimas duotų tiesioginius įrodymus apie dinaminius mechanizmus, veikusius milijardus metų.
Implications for the Solar System and exoplanet science
Yra niūri, bet reikšminga pamoka: mūsų Saulė taps balta nykštuke maždaug už 5 milijardų metų. Žemės ir kitų Saulės sistemos planetų galutinė lemtis priklausys nuo sudėtingos orbitinės evoliucijos, žvaigždės masės netekimo fazių ir tarpplanetinių dinamikos efektų. Tyrimai, panašūs į šį, rodo, kad planetinės sistemos gali išlikti dinamiškai aktyvios milijardus metų po savo žvaigždžių „mirties". Tai reiškia, kad net labai senos sistemos gali patirti reikšmingus įvykius, kurie pakeičia planetų likimą.
Platesne prasme kiekviena „užteršta" baltoji nykštukė suteikia natūralų laboratorinį imtuvą planetinių vidinių sluoksnių mėginiams visoje galaktikoje. Analizuodami elementų po elementų sudėtį sunaikintų kūnų, astronomai gali patikrinti planetų formavimosi, diferenciacijos ir migracijos modelius galaktiniu mastu. Klausimai, kuriuos galima spręsti: kuri planetos išsaugojo trapius volatilus (pvz., vandens komponentus), kurios išauga didelius metalinius branduolius, ir kaip dažnai pasitaiko Žemės pavidalo uolingos planetos su panašia vidine struktūra?
Šių duomenų kaupimas leidžia palyginti planetų chemines savybes tarp skirtingų žvaigždžių tipų, aplinkos sąlygų ir evoliucinių istorijų. Tokiu būdu galima iškelti labiau specializuotus klausimus: ar sunkiųjų elementų gausa priklauso nuo žvaigždės metalo gausos (angl. stellar metallicity)? Kaip planetų migracija ir planetesimalių bombardavimas veikia planetos cheminį likimą? Atsakymai į šiuos klausimus praplečia mūsų supratimą apie planetų geochemiją, planetos sudėties įvairovę ir gyvenamųjų zonų ilgalaikį stabilumą.
Expert Insight
Dr. Maya Chen, astrofizikė, specializuojanti žvaigždžių liekanose, komentuoja: „Baltoji nykštukės užterštumas — tai tarsi kosminė archeologija. Kai planeta sunaikinama, ji 'parašo' savo cheminę istoriją į žvaigždės atmosferą. Rasti tiek daug elementų vėsioje, vandenilio turtingoje nykštukėje yra retas ir įdomus atvejis — tai nurodo, kad tėvinis kūnas buvo diferencijuotas ir pakankamai didelis, kad išlaikytų reikšmingą metalo branduolį.“
Ji priduria: „Spektroskopijos derinys iš žemės stebėjimo teleskopų su Gaia astrometrija ir JWST infraraudonųjų spindulių vaizdavimu suteikia geriausią galimybę rekonstruoti sistemos dinaminę istoriją ir identifikuoti bet kokias išlikusias gigantiškas planetas, kurios galėjo sukelti nestabilumą." Tai pabrėžia tarpdisciplininį požiūrį, reikalingą tam, kad būtų susieti stebėjimai su teoriniais modeliais ir taip išspręsti sudėtingiausius klausimus apie planetų likimą po žvaigždžių evoliucijos pabaigos.
Where researchers go next
Tolimesni darbai ieškos archyvinių Gaia duomenų dėl subtilių astrometrinių svyravimų ir taikys sistemą gilesniems infraraudonųjų spindulių tyrimams. Jei bus aptiktos tolimos, vėsius milžinės primenančios planetos, tai stiprins hipotezę apie ilgalaikes, planetų sukeltas nestabilumo grandines. Tuo tarpu baltoji nykštukė užterštų atvejų imties išplėtimas — ypač vandenilio turtingų pavyzdžių — lems tikslesnį vaizdą apie tai, kaip dažnai galaktikoje pasitaiko Žemės tipo branduoliai.
Metodologinė pažanga taip pat yra svarbi: pagerėjusi spektroskopijos jautrumas, ilgalaikė astrometrijos archyvų analizė ir JWST bei kitų teleskopų infraraudonųjų instrumentų sinergija leis nustatyti net mažesnius elementų kiekius ir ilgesnius akrecijos įvykius. Taip pat planuojama plėtoti kompiuterinius modelius, kurie gali tiksliau atkartoti sunkiųjų elementų nusėdimo procesus skirtingų temperatūrų vandenilio sluoksniuose ir taip susieti stebimus spektrinius santykius su pradiniu planetos masės pasiskirstymu.
Galiausiai, mirusių žvaigždžių kapinės gali tapti turtingiausiu katalogu, skirtu tyrinėti, kaip uoliniai pasauliai formuojasi, diferencijuojasi ir galiausiai nyksta — o kartu tai suteiks vertingų pamokų apie mūsų pačių planetos tolimą ateitį. Tokie atradimai stiprina tarptautinį mokslinį bendradarbiavimą, skatina instrumentų ir modelių tobulinimą ir plečia mūsų žinias apie galaktikos planetinę įvairovę bei jos evoliucines trajektorijas.
Šaltinis: sciencealert
Palikite komentarą