10 Minutės
Kai žvaigždės miršta, atsiveria naujos galimybės
Saulės tipo žvaigždės gyvavimo ciklas nesibaigia dramatiška supernova — jis užbaigiamas lėtu išorinių sluoksnių pašalinimu ir kompaktiško šerdies atsiskleidimu: baltoji nykštuke. Tai nėra tik astronominis užrašas po sąlyčio, baltoji nykštukė yra gausi — Manoma, kad Paukščių Take jų yra apie 10 milijardų — ir jos gali turėti planetines sistemas ilgai po to, kai jų žvaigždės išeikvoja branduolinį kurą. Tai kelia svarbų klausimą astrobiologijai ir egzoplanetų tyrimams: ar planetos aplink baltąsias nykštukes gali išlaikyti ar įgyti sąlygas skystam vandeniui ir, pagal tai, gyvybei?
Šiame straipsnyje apžvelgiama fizinė baltojų nykštukių planetinių sistemų aplinka, gyvenamumui iššūkius keliančios pasiskirstymo šilumos ir žvaigždės evoliucijos problemos, mechanizmai, galintys perkelti planetą į temperatuotą orbitą, ir stebėjimo strategijos — nuo tranzitų spektroskopijos iki naujos kartos teleskopų — kurios galėtų atskleisti biosignalus atmosferose aplink šiuos kompaktiškus žvaigždžių reliktus.
Baltosios nykštukės: mažos, tankios ir gausios
Baltosios nykštukės susiformuoja, kai žvaigždės, kurių pradinių masių yra iki maždaug aštuonių Saulės masių, baigia fuzijuoti vandenilį ir helį savo šerdyse. Žvaigždžių evoliucijos vėlyvaisiais etapais šios žvaigždės išsiplečia į raudonąsias milžines, praranda ženklų masės kiekį dėl vėjo ir išmetimų. Liekaną sudaro maždaug Žemės dydžio objektas, turintis apie pusę Saulės masės: tai baltoji nykštukė. Elektronai ląstelės viduje suspausti iki kvantinės mechanikos ribų, o objektas šyla ir vėsta lėtai milijardus metų.
Nepaisant santykinai mažo dydžio, baltoji nykštukė – čia vaizduojama kaip ryški dėmė dešinėje nuo mūsų Saulės – yra labai tanki. Kreditas: Kevin Gill/Flickr, CC BY
Kadangi dauguma galaktikos žvaigždžių yra mažos masės ir taps baltaisiais nykštukėmis, šios liekanos sudaro didžiulę potencialių egzoplanetų paieškos taikinių populiaciją. Jei aplink baltąsias nykštukes gali egzistuoti gyvybingumo zonos, jos išplėstų aplinkų skaičių ir įvairovę, kuriose gyvybė galėtų išlikti. Tačiau gyvenamumo sąlygos reikšmingai skiriasi nuo sąlygų aplink pagrindinės sekos žvaigždes, tokias kaip Saulė.
Kur yra gyvybingumo zona aplink baltąją nykštukę?
Gyvybingumo zonos (GZ) sąvoka yra paprasta apibrėžimu: tai orbitinių atstumų intervalas, kuriame planeta su Žeme panašia atmosfera gali išlaikyti skystą vandenį ant paviršiaus. Aplink baltąsias nykštukes GZ yra itin arti žvaigždės, nes baltoji nykštukė yra keliais dydžiais silpnesnė už pagrindinės sekos žvaigždes. Tipinės baltojų nykštukių gyvybingumo zonos randasi orbitiniuose atstumuose vos kelias šimtąsias iki kelių dešimtųjų astronominės vienetės (AU) — dešimtis ar šimtus kartų arčiau nei Žemė yra nuo Saulės.
Planetos gyvybingumo zonoje nėra tokios arti, kad jų paviršiaus vanduo užvirtų, bet taip pat ne tokios toli, kad jis sėstų. Kreditas: NASA
Toks artumas kelia keletą problemų. Pirma, baltojos nykštukės tidalinės jėgos yra stiprios, ir planeta GZ atstumuose dažnai bus tidaliai užfiksuota (viena pusrutulio nuolat nukreipta į žvaigždę), kas pakeičia klimato modelius. Antra, bet kuri planeta, kuri užimdavo tą regioną žvaigždės raudonosios milžinės fazės metu, greičiausiai būtų nuryta arba praradusi lakias medžiagas. Todėl, jei planeta šiandien aplink baltąją nykštukę yra tinkama gyvybei, ji arba turi išgyventi dramatiškus evoliucinius įvykius, arba patekti į GZ po to, kai žvaigždė tampa baltoji nykštuke.
Tidalinė šiluma, orbitinė dinamika ir lakiųjų medžiagų išlikimas
Dominavimą turintis fizinis procesas planetoms, skriejančioms arti kompaktiškų objektų, yra tidalinė šiluma. Tidalinės jėgos kyla todėl, kad gravitacija iš centrinio objekto (arba kitų gretimų masyvių kūnų) skiriasi per planetos spindulį. Šios diferencialinės jėgos linkus planetos vidų; trintis paverčia tą mechaninę energiją šiluma. Mūsų Saulės sistemoje Jupiterio palydovas Io yra gyvas pavyzdys: intensyvus tidalinės įkrovos poveikis iš Jupiterio ir orbitiniai sąveikos su kitais palydovais pakankamai įkaitina Io, kad ten veiktų šimtai aktyvių ugnikalnių ir nebūtų galimybės stabiliai egzistuoti paviršiniam vandeniui.
Iš keturių pagrindinių Jupiterio palydovų Io yra arčiausias. Jupiterio ir kitų trijų palydovų traukos veiksmai tempia Io skirtingomis kryptimis, todėl jis įkaista. Kreditas: Lsuanli/Wikimedia Commons, CC BY-SA
Priešingai, Europa — taip pat patirianti tidalinį šildymą — išlaiko storą ledo plutą virš globalinio požeminio vandenyno. Šie du pavyzdžiai iliustruoja, kaip tidalinė šiluma gali sukurti rezultatų spektrą: nuo smarkaus paviršinio atnaujinimo iki sąlygų, palaikančių skystą vandenį po ledo sluoksniu. Planetoms baltojų nykštukių GZ atstumuose tidalinės šilumos dydis priklauso nuo orbitinės ekscentriškumo, planetos struktūros ir palydovų ar kompanionų buvimo. Jei planeta migruoja į vidų arba periodiškai yra stumiama kaimyninių kūnų, tidalinė šiluma gali sterilizuoti paviršių išgarinant vandenynus. Tačiau vidutinėse sąlygose ji gali tiekti geoterminę energiją, padedančią palaikyti požeminį arba net paviršinį skystą vandenį, ypač tidaliai fiksuotose planetose.
Migracijos keliai į gyvybingas orbitas
Kai progenitorius žvaigždės raudonosios milžinės fazė tikriausiai sunaikina vidines planetas, gyvybingos baltojų nykštukių planetos greičiausiai kilę iš tolimų orbitų ir praslinko į vidų po baltosios nykštukės susiformavimo. Keletas dinaminių kanalų gali pristatyti planetas į artimas orbitas: planetų-planetų stumdymas, sekulinės sąveikos, tokios kaip Kozai–Lidovo osciliacijos, kurias sukelia tolimas kompanionas, arba laisvai plūduriuojančių planetų sugavimas. Simuliacijos rodo, kad migracija yra įmanoma, bet procesas gali sukelti intensyvų tidalinį įkaitinimą, o kartais ir planetų panardinimą arba išstūmimą.
Laikas yra kritinis. Jei migracija vyksta, kai baltoji nykštukė vis dar labai karšta ir spindi (netrukus po susiformavimo), intensyvi spinduliuotė kartu su tidaline šiluma gali nulupti atmosferas ir išvirti vandenynus. Jei migracija įvyksta vėliau, po to, kai baltoji nykštukė atvėso ir sumenkino švytėjimą, planeta gali potencialiai išlaikyti arba atgauti lakias medžiagas ir palaikyti paviršinį skystą vandenį. Todėl tiek orbitinė istorija, tiek baltoji nykštukė terminė evoliucija kartu lemia gyvenamumo perspektyvas.
Stebėjimo perspektyvos ir biosignalų aptikimas
Vienas patrauklus baltojų nykštukių planetų stebėjimo privalumas yra geometrinis: Žemės dydžio planeta tranzituodama prieš Žemės dydžio baltąją nykštukę užblokuoja didelę dalį žvaigždės šviesos. Tranzitų spektroskopija atmosferos limbo metu šių įvykių metu teoriškai gali atskleisti molekulinius absorbcinius bruožus (H2O, O2, O3, CH4, CO2) naudojant mažesnius teleskopus arba trumpesnį integracijos laiką nei planetoms aplink didesnes žvaigždes.
Astronomai ieško nežemiškos gyvybės stebėdami planetas, kai jos iš mūsų vaizdavimo linijos praeina prieš savo šeimininkes žvaigždes. Kai žvaigždės šviesa praeina per planetos atmosferą, mokslininkai gali taikyti bazinius fizikos principus, kad nustatytų, kokios molekulės yra ten esančios.
Tačiau aptikimas yra sudėtingas. Baltojų nykštukių mažas fizinis dydis reiškia, kad tranzitai yra trumpi ir retai stebimi iš mūsų perspektyvos; tranzito tikimybė yra maža, nebent planetos orbitos yra labai tiksliai išlygiuotos. Žemės paviršiaus tyrimai ir kosminės misijos, tokios kaip TESS, nėra optimizuotos šiems trumpalaikiams, mažiems tranzitams rasti, nors jos gali prisidėti. Jameso Webb kosminis teleskopas (JWST) ir būsimi itin dideli žemės teleskopai (ELT) yra tinkamesni bet kokių tranzituojančių kandidatų atmosferoms charakterizuoti per infraraudonąją spektroskopiją. Nuo 2020 m. ir vėliau keli intriguojantys sistemos atvejai — įskaitant pirmuosius nepažeistus planetų kandidatus, susijusius su balta nykštuke — parodė, kad planetos gali išlikti arba atsirasti aplink šias „mirusias“ žvaigždes, skatindamos gilesnį tolesnį tyrimą.
Mokslinis kontekstas, pasekmės ir būsimos misijos
Baltųjų nykštukių gyvenamumas susikerta su keliomis mokslinėmis disciplinomis: žvaigždžių evoliucija, planetinė dinamika, atmosferos chemija ir astrobiologija. Jeigu gyvybė galėtų egzistuoti (ar egzistavo) planetoje, apskriančioje baltąją nykštukę, tai praplėstų mūsų supratimą apie gyvybės atsparumą ir galimų gyvenamų aplinkų spektrą. Pavyzdžiui, požeminė gyvybė, paremta tidaline šiluma, galėtų išlikti net tais atvejais, kai paviršius yra priešiškas. Priešingai, paviršinė gyvybė galėtų klestėti planetose, kurios vėliau atvėso ir pateko į stabilų GZ ilgai po žvaigždės mirties.
Ateities instrumentai ir apžvalgų strategijos lems mūsų gebėjimą patikrinti šias galimybes. JWST turi jautrumą aptikti spektrinius bruožus palankiuose tranzituojančiuose sistemose; didieji žemės teleskopai (GMT, TMT, E-ELT) suteiks aukštos skiriamosios gebos spektroskopiją ir geresnį jautrumą optinėje bei artimoje infraraudonojoje srityje. Kosminės misijos, galinčios stebėti plačius laukus dideliu kadru ir tikslumu, padidintų trumpų baltųjų nykštukių tranzitų atradimų dažnį. Laboratoriniai ir teoriniai darbai apie atmosferos išsaugojimą, tidalinį disipaciją ir lakiųjų medžiagų tiekimą susiaurins parametrų sritį, kurioje gali egzistuoti gyvenami rezultatai.
Eksperto įžvalga
"Baltųjų nykštukių planetos primena mums, kad gyvenamumas nėra vienas būvis, o procesas, priklausantis nuo laiko, dinamikos ir energijos šaltinių," sako dr. Mara Ellison, fiktyvi planetų dinamikos specialistė. "Net jei pasaulis praranda paviršinį vandenį raudonosios milžinės fazės metu, vėlesnė migracija arba kometų tiekimas gali atkurti lakias medžiagas. Ir tidalinė šiluma gali būti peiliu su dviem ašmenimis: žalinga aukštais lygiais, bet kritiškai svarbi energijos šaltiniui palaikyti požemines buveines vidutinėse režimuose."
Svarbūs atradimai ir ką jie reiškia
Keli įrodymai palaiko idėją, kad planetinis materialas išlieka arba vėl susiformuoja aplink baltąsias nykštukes. Stebėjimai, rodantys metalais „užterštas" baltojų nykštukių atmosferas, nurodo planetinio nuolaužų akreciją. Kartais pastebimi tranzituojantys nuolaužų kamuoliai ir nepažeisti planetų kandidatai rodo, kad kietieji kūnai gali išlikti arba būti perkelti į artimas orbitas. Šie atradimai reiškia, kad planetinės sistemos nesibaigia staiga žvaigždės mirtimi — jos toliau evoliucionuoja, kartais kurdamos aplinkas, radikaliai skirtingas nuo tų, kurios egzistavo žvaigždės pagrindinės sekos metu.
Iš astrobiologinės perspektyvos pagrindinė išvada yra tokia: potencialių gyvybingų pasaulių katalogas turėtų apimti ir žvaigždžių liekanas. Jei gyvybė galėtų kilti arba išlikti tokiuose pasauliuose, gyvenamumo laiko langas išsiplečia į epochas, kurios yra daug senesnės nei dauguma dabartinių egzoplanetų tyrimų akcentuoja.
Iššūkiai, atviri klausimai ir tyrimų prioritetai
Išlieka svarbūs atviri klausimai. Koks baltojų nykštukių dalis turi planetas stabiliose gyvybingose orbitose? Kaip dažnai migracijos mechanizmai atneša lakias medžiagas į tas planetas? Ar atmosferos gali išlikti derinant spinduliuotę ir tidalinį įkaitinimą pakankamai ilgai, kad atsirastų gyvybė? Atsakyti į šiuos klausimus reikės koordinuotų teorinių darbų, tikslingų tranzitų paieškų aplink žinomas baltąsias nykštukes ir bet kokių kandidatų atmosferos charakterizavimo galingais spektrografais.
Pagrindinės tyrimų prioriteto sritys apima:
- Aukšto kadru dažnio tranzitų apžvalgos, orientuotos į baltąsias nykštukes, siekiant padidinti atradimų skaičių.
- Išsamūs tidalinės evoliucijos modeliai, jungianti orbitalinę dinamiką, vidinę disipaciją ir atmosferos eroziją.
- Laboratoriniai ir modeliavimo tyrimai dėl biosignatūrų dujų gamybos ir aptinkamumo ne Žemei panašiose spinduliuotės aplinkose.
- Tolesnė spektroskopija su JWST ir ELT, siekiant ieškoti vandens, deguonies, metano ir kitų galimų biosignatūrų.
Išvada
Planetos, skriejančios aplink baltąsias nykštukes, yra intriguojanti ir nekonvencinė potencialiai gyvybingų pasaulių klasė. Labai artimos gyvybingumo zonos, stiprios tidalinės jėgos ir sudėtingos dinaminės istorijos daro jų gyvenamumą niuansuotu klausimu, o ne paprastu „taip“ arba „ne" atsakymu. Palankiais atvejais — vėlyva migracija į atvėsusią baltojoje nykštukėje GZ, vidutinė tidalinė šiluma ir vandens išsaugojimas arba papildymas — tokios planetos galėtų turėti skystą vandenį ir galbūt gyvybę.
Stebėjimo pažanga per artimiausią dešimtmetį, kurią skatins JWST, ELT ir patobulintos tranzitų apžvalgos, bus lemiama šių idėjų patikrinimui. Net vienos temperatuotos, atmosfera turinčios planetos patvirtinimas aplink baltąją nykštukę išplėstų galimų gyvybės aplinkų nuostatą ir pertvarkytų mūsų supratimą apie planetinių sistemų evoliuciją po žvaigždės mirties.
Šaltinis: scitechdaily
Komentarai