9 Minutės
Įsivaizduokite pasaulį, kuriame dvi saulės pakyla ir nuslysta per kitokį dangų. Tai ryški vizija — Tatooine archetipas, dviejų žvaigždžių planeta — tačiau tokie realūs, stebimi pavyzdžiai stebėtinai reti. Astronomai tikėjosi rasti daug circumbinary planetų, skriejančių aplink glaudžiai susietas žvaigždžių poras, bet patvirtintų dviejų saulių pasaulių katalogas išlieka menkas. Kodėl tiek nedaug planetų išgyvena arti kompaktiškų dvigubų žvaigždžių?
Kai Niutonas susitinka su Einsteinu: dingstančių planetų problema
Tradicinis planetų orbitų paaiškinimas remiasi Niutono gravitacija: masių trauka formuoja orbitų trajektorijas, o nedideli perturbacijos pakeičia šias trajektorijas lėtai. Planetų formavimosi modeliai rodo, kad dauguma žvaigždžių — tiek viengubos, tiek dvigubos — turėtų susikurti planetų sistemas. Stebėjimų duomenys, įskaitant misijas Kepler ir TESS, atskleidė tūkstančius egzoplanetų, tačiau labai maža dalis jų sukimba aplink dvejetus. Iš daugiau nei 6 000 patvirtintų egzoplanetų astronomai galutinai patvirtino tik vos kelias, kurios skrieja aplink abi žvaigždžių poros narius.
Yra ir papildoma keistenybė: glaudžios poros — žvaigždės, besisukančios viena aplink kitą per keletą dienų — yra ypač nykios. Apklausos identifikavo tūkstančius užtemimo dvejetų (eclipsing binaries) sistemų, kuriose tranzitai turėtų padaryti circumbinary planetas lengviausiomis aptikti, tačiau numatomas derlius niekada nepasireiškė. Artimų circumbinary planetų trūkumas nėra vien tik stebėjimo klaida. Tai rodo dinaminį procesą, kuris laike ištrina šiuos pasaulius.
Dalis atsakymo slypi orbitos precesijoje. Planeta, skriejanti aplink dvi žvaigždes, neišlaiko tos pačios elipsės amžinai; jos orbita lėtai pasisuka arba precesuoja, nes dviejų žvaigždžių gravitacinis traukos vektorius laikui bėgant keičia kryptį. Pačios dvejetų žvaigždės taip pat precesuoja, bet dėl kitos priežasties: relatyvistiniai gravitacijos pataisymai — efektai, numatyti Einsteino — tampa nebeignoruotini, kai žvaigždės yra masyvios ir glaudžiai sukasi viena aplink kitą.
Rezonansas ir lėtas circumbinary orbitų destabilizavimas
Bendroji reliatyvumo teorija keičia, kaip dvejetų artimiausias priėjimas (periastronas) pasislenka su kiekviena orbita. Kai žvaigždžių pora susitraukia — dėl ankstyvų sąveikų su dujomis ir per ilgus epochų laikotarpius dėl tidalinio trynimosi — binarinio periastrono pažangos greitis didėja. Tuo pačiu metu circumbinary planetos precesijos greitis, kurį varo Niutono trauka iš dviejų žvaigždžių, linkęs lėtėti, kai žvaigždės artėja. Kai šie du precesijos greičiai prilygsta vienas kitam, jie gali užsirakinti į rezonansą.
Rezonansas yra paprasta, bet galinga sąvoka: dvi oscilacijos, turinčios tą patį ritmą, gali vienos kitą sustiprinti. Circumbinary planetai įėjus į rezonansą su dvejetu, jos orbita palaipsniui ištempiama į didesnio ekscentriškumo formas. Vienu momentu planeta išsvinguoja gerokai tolyn; kitu — įsiveržia arčiau žvaigždžių. Kai planetos periastronas sutampa su dinaminės nestabilumo zona aplink dvejetą, paprastai seka viena iš dviejų baimių: išstūmimas arba sunaikinimas.
Išstūmimo atveju trijų kūnų gravitacinės sąveikos suteikia planetai impulsą, pakankamą išsiųsti ją į tolimą orbitą arba visiškai atjungti nuo sistemos. Sunaikinimo atveju planetos periastronas tampa toks mažas, kad tidalinės jėgos arba tiesioginis susidūrimas su žvaigžde suplėšo arba praryja ją. Šios transformacijos gali vykti per dešimtis milijonų metų — tai yra greita palyginti su žvaigždžių gyvenimo trukme — todėl, kai mes stebime daug glaudžių dvejetų, artimos planetos, kurios egzistavo pradžioje, dažnai jau būna pašalintos.
Mohammad Farhat, postdoktorantūros tyrėjas Kalifornijos universitete, Berkeley, kuris vadovavo neseniai atliktiems teoriniams darbams šia tema, aiškiai tai paaiškina: planeta rezonanse gali būti palaipsniui pumpuojama į didesnį ekscentriškumą, kol ji arba išmetama, arba suplėšoma. Jihad Touma, bendraautoris iš American University of Beirut, priduria, kad tai nėra egzotiškas ar dirbtinai sukonstruotas procesas; tai natūrali Niutono orbitinės dinamikos ir reliatyvistinių pataisų kombinacijos pasekmė, kai dvejetai susitraukia iki periodų maždaug savaitės ar trumpesnių.
Šis mechanizmas paaiškina, kodėl arti glaudžių dvejetų mes mažai matome planetų: net jei planetų formavimasis buvo įprastas, ilgalaikė dinamika jas išvalo. Ši idėja jungia planetų formavimosi teoriją su observacinėmis išvadomis ir suteikia savotišką „natūralų filtrą“, kuris atprendžia mūsų teleskopus nuo ankstyvųjų dviejų saulių pasaulių.
Kodėl aptikimo metodai praleidžia išgyvenusius egzempliorius
Išlikimas, kai jis įvyksta, paprastai linkęs palankiau vertinti didesnį atstumą. Planetos, kurios vengia rezonanso, tiesiog sėdi pakankamai toli nuo dvejeto, kad rezonansinė sąveika niekada netaptų stipri. Tos tolimos circumbinary planetos yra realios, bet jas sunkiau aptikti. Tranzitų apklausos, tokios kaip Kepler ir TESS, aptinka planetas pagal smulkų jų sukeltą žvaigždžių aptemimą, kai jos praskrieja prieš šeimininkių žvaigždžių diską. Platus orbitos spindulys smarkiai sumažina geometrinę tikimybę tranzitui iš mūsų perspektyvos, taip pat sumažina galimybę užfiksuoti tranzitą per riboto ilgio stebėjimo kampaniją.
Kepler katalogavo maždaug 3 000 užtemimo dvejetų — sistemų, kurių orbitos plokštuma sutampa su mūsų regos linija, todėl žvaigždės viena kitą užstoja. Jeigu reikšminga dalis tų dvejetų turėtų dideles planetas, tranzitai tikriausiai pasirodytų duomenyse. Vietoje to, tyrėjai identifikavo gerokai mažiau kandidatų nei prognozuota, ir dauguma patvirtintų circumbinary planetų sėdi vos už vidinės nestabilumo zonos ribos. Toks klasterizavimas rodo migraciją: planetos gali susiformuoti toliau protoplanetiniame diske ir lėtai judėti į vidų, kol jas sustabdo stabilumo riba. Planeta susiformuoti tiesiogiai nestabilumo krašte būtų panašu į bandymą štampuoti trapias plytas audringomis sąlygomis; planetesimalų susidūrimai yra per smarkūs, kad leistų efektyvų augimą.
Rezultatas yra aptikimo šališkumas, pridengtas naikinančios dinaminės mechanikos sluoksniu. Šių veiksnių derinys sukuria tai, ką tyrėjai vadina circumbinary planetų „dykuma“ arti glaudžių dvejetų. Observaciniais duomenimis ši dykuma pasireiškia kaip patvirtintų planetų trūkumas aplink dvejetus, kurių orbitos periodai trumpesni nei maždaug septynios dienos.
Nestabilumo zonos, formavimosi teorija ir simuliacijų rezultatai
Išsamios skaitmeninės simuliacijos ir analitiniai skaičiavimai paremti šią schemą. Kai įtraukiama binarinio reliatyvistinio precesijos sąveika, aplink glaudžius dvejetus destabilizuotų planetų dalis tampa reikšminga. Teoriniai modeliai rodo, kad maždaug 80 % planetų, esančių netoli tokių dvejetų, gali būti sutrikdyta per sistemos evoliuciją, o apie tris ketvirtadalius iš jų sunaikinami visiškai, o ne tiesiog išstumti į plačias, šaltas orbitas. Tai nėra vien tik kraštinės parametro erdvės galimybės; tai dominuojantys rezultatai daugelyje pradinių konfigūracijų.
Kodėl reliatyvumas čia svarbesnis negu įprastuose egzoplanetų klausimuose? Nes reliatyvistinės pataisos skaliuojasi su masių kompaktiškumu ir orbitinių greičių dydžiu. Merkurijus pateikė kanoninį pavyzdį mūsų Saulės sistemoje: Niutono gravitacija paliko nedidelę, neišaiškintą Merkurijaus perihelio precesiją, o Einsteino teorija suteikė trūkstamą pataisą. Glaudžiuose žvaigždžių dvejetuose, kur masės didesnės ir orbitiniai greičiai aukštesni, reliatyvistinė precesija gali dominuoti binarinę evoliuciją ir stumti rezonansines sąveikas į sritis, kur planetos išlikimas tampa pavojingas.
Šie rezultatai taip pat padeda suprasti, kodėl keli planetos yra reti šalia glaudžių dvejetų. Rezonansas, kuris destabilizuoja vieną planetą, tikėtina paveiks ir gretimus palydovus, praplėsdamas per įvairius orbitos spindulius ir pašalindamas kelis potencialius planetinius objektus paeiliui. Taigi pastebėtas circumbinary sistemų su kompaktiškomis žvaigždžių poromis mažumas nereiškia, kad planetų formavimasis nepavyko; tai reiškia, kad ilgalaikis dinaminis išlikimas yra sudėtingas, veikiant potvyniams, migracijai ir reliatyvistiniam rezonansui.
Ekspertų įžvalgos
„Kai į ilgalaikę dinamiką įleisite bendrąją reliatyvumą, vaizdas keičiasi taip, kaip iš Niutono vieno negalėtumėte numanyti,“ sako vienas hipotetinis vyriausias astrofizikas kontekstui paaiškinti. „Relatyvumas pagreitina dvejeto precesiją, potvyniai ir migracija keičia geometriją, o planetos orbita spaudžiama į rezonansines spąstus. Rezultatas — natūrali pasaulių atrankos šalia pačių glaudžiausių dvejetų sistema.“
Kitas teorinės bendruomenės balsas pažymi: „Šis mechanizmas padeda suderinti planetų formavimosi simuliacijas — kur planetai formuojasi dažnai — su observaciniu faktu, kad retai matome circumbinary planetas glaudžiuose sistemose. Daug jų susiformavo, bet dauguma neišgyveno tiek ilgai, kad būtų nufotografuotos mūsų apklausose.“
Platesnės implikacijos ir tolesnės kryptys
Relatyvumo ir orbitinės dinamikos sąveika turi pasekmių ne tik circumbinary egzoplanetoms. Tyrėjai nagrinėja, ar panašūs rezonansiniai procesai veikia planetas, skriejančias aplink kompaktiškus objektus — dvejetus pulsarus arba žvaigždes, skriejančias aplink supermasyvias juodąsias skyles galaktikų centruose. Kai masės yra ekstremalios ir orbitiniai laikai trumpo, reliatyvistinė precesija gali dominuoti aplinkinių kūnų secularinėje evoliucijoje, keisdama, kaip interpretuojame ilgalaikį stabilumą.
Observacinėje srityje šis darbas siūlo konkrečias strategijas. Jei circumbinary planetos daugiausia išgyvena didesniuose atstumuose, apklausos, galinčios aptikti ilgalaikius tranzitus arba pasinaudojančios tiesiogine vaizdavimo (direct imaging) ir astrometrijos metodikomis, gali atrasti trūkstamą populiaciją. Sekančios kartos instrumentai, ilgesni stebėjimo laikotarpiai ir kombinuoti metodai (tranzitas + radijo greičio matavimai + astrometrija) bus raktas. Tuo pat metu modeliai, derinantys hidrodinamiką planetų formavimosi procese su ilgalaike reliatyvistine dinamika, tikslins, kuria kryptimi ieškoti išlikusių planetų.
Taip pat čia yra platesnė pamoka apie sluoksniuotą astrofizinių sistemų sudėtingumą. Procesai, kurie atrodo subtilūs trumpais laiko intervalais — reliatyvistinė precesija, tidalinė migracija — per milijonus ar milijardus metų gali suformuoti visą planetinę populiaciją. Einsteino pataisymai, įvesti prieš šimtmetį, išlieka aktualūs ir kartais lemiami šiuolaikinėje egzoplanetų moksle.
Stebimiškai, dviejų saulių pasaulių trūkumas arti glaudžių dvejetų nebėra tik keistas statistinis reiškinys. Tai natūrali rezonansinės dinamikos pasekmė, užsėta reliatyvistiniais efektais ir palaikoma potvynių bei migracijos. Visata turi savitą būdą tyliai ištrinti tam tikras galimybes — greitai, efektyviai ir abejingai mūsų lūkesčiams.
Kaip teleskopai gerės, o apklausos pratęs savo laiko bazes, turėtume tikėtis rasti daugiau tolimų circumbinary planetų ir su jomis pilnesnį atsakymą į klausimą, kaip planetos formuojasi ir išnyksta dviejų saulių šešėlyje. Ateities stebėjimai, kombinuoti su pažangiomis simuliacijomis, leis ne tik surašyti trūkstamą populiaciją, bet ir patikrinti, kiek procentų planetų iš tikrųjų pašalino reliatyvistiniai rezonansai, palyginti su kitomis dinaminėmis priemonėmis.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą