Nasza gwiazda mogła kiedyś pochłonąć własną super-Ziemię

Nasza dzienna gwiazda bywa nie tylko źródłem życia, ale i realnym zagrożeniem — o czym przekonują choćby rozbłyski słoneczne, dobrze już poznane przez astronomów. Tym razem jednak uwaga badaczy skupiła się na czymś znacznie bardziej drastycznym: możliwości, że Słońce w swojej historii dosłownie zjadło całą planetę.

Pochłonięcie ciała wielkości Ziemi dla gwiazdy tej wielkości to nic więcej niż drobny epizod — nasza planeta w porównaniu z masą Słońca jest niczym pyłek. Zespół naukowców zwraca jednak uwagę, że taki akt kosmicznego kanibalizmu mógł zostawić po sobie trwały odcisk w budowie wewnętrznej gwiazdy.

Hipotezę dotyczącą owych „odcisków palców" po dawnej uczcie zaprezentowano w pracy opublikowanej w Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Nasze nowe badania wskazują, że planeta kilkakrotnie masywniejsza od Ziemi mogła spaść na młode słońce i pozostawić w nim głęboki ślad chemiczny. Modelując ewolucję Słońca i porównując wyniki z precyzyjnymi obserwacjami jego wnętrza, odkryliśmy, że pochłonięcie superziemi może pomóc wyjaśnić długotrwałe różnice między standardowymi modelami Słońca a obserwacjami, w tym subtelne zmiany w wewnętrznej strukturze Słońca i wyczerpanie jego zasobów litu

Mutlu Yildiz, profesor Uniwersytetu Ege w Turcji

Z symulacji wynika też, że taka planeta mogłaby przetrwać przelot przez zewnętrzne warstwy gwiazdy, oddając jej przy tym jedynie niewielki fragment swojej masy. To zaś oznacza, że planety mogą pozostawiać po sobie wykrywalne śladu wewnątrz gwiazd macierzystych na miliardy lat po tym, jak same przestały istnieć.

Dlaczego u nas nie ma superziemi?

Nasza gwiazda uformowała się około 4,6 miliarda lat temu z chmury gazu i pyłu. Młode Słońce otaczał dysk protoplanetarny, w którym z czasem rodziły się kolejne planety. Materia w tym dysku wcale nie była statyczna — gaz i zarodki przyszłych planet nieustannie na siebie wpływały, a niektóre obiekty mogły w rezultacie zmieniać swoje trajektorie orbitalne.

Autorzy nowej pracy odwołują się do wcześniejszych analiz, sprzed dekady, według których wewnątrz orbity Merkurego mogła powstać jedna, a może i więcej superziemi. Takie obiekty mogły następnie wędrować w kierunku centrum dysku gazowego, docierając w końcu do młodego Słońca.

W innych systemach planetarnych astronomowie zaobserwowali już wiele superziemi — obiektów masywniejszych od naszej planety, lecz mniejszych niż Neptun. Nasz Układ Słoneczny takiego ciała nie posiada. Jedno z wyjaśnień tej nieobecności głosi, że podobna planeta rzeczywiście powstała blisko Słońca, po czym pod wpływem interakcji z dyskiem protoplanetarnym zaczęła się do niego zbliżać.

W końcu mogła przekroczyć punkt, z którego nie było już ucieczki.

Słońce skrywa informacje o swojej przeszłości

Gwiazdy to nie jednorodne kule rozgrzanego gazu — w ich wnętrzu toczą się skomplikowane procesy fizyczne, a temperatura, gęstość i skład chemiczny zmieniają się w zależności od głębokości. W przypadku Słońca część tych parametrów można odtworzyć za pomocą heliosejsmologii.

Metoda ta działa podobnie jak sejsmologia badająca wnętrze Ziemi, z tą różnicą, że analizowane są fale przemieszczające się przez wnętrze gwiazdy, nie przez skały. Ich obserwacja pozwala m.in. wyznaczyć zmiany prędkości dźwięku w głębi Słońca oraz zlokalizować granicę strefy konwekcyjnej.

To właśnie tu tkwi jedna z bolączek obecnych modeli teoretycznych. Standardowe modele ewolucji gwiazd nie zawsze są w stanie równocześnie odwzorować zaobserwowany profil prędkości dźwięku poniżej strefy konwekcyjnej oraz jej rzeczywistą głębokość.

Zagadką jest także bardzo mała ilość litu

Drugą częścią tej zagadki jest lit. Jego zawartość na powierzchni Słońca jest znacznie niższa, niż wynikałoby to z prostych modeli opisujących ewolucję gwiazdy.

Lit budzi szczególne zainteresowanie badaczy, bo w wysokich temperaturach łatwo ulega rozpadowi. Jeśli materia bogata w ten pierwiastek trafi do wystarczająco gorących warstw gwiazdy, lit może zostać zniszczony w reakcjach jądrowych.

Naukowcy postawili więc pytanie, czy scenariusz z pochłonięciem planety mógłby jednocześnie tłumaczyć zarówno strukturę wnętrza Słońca, jak i jego skład chemiczny.

Interesowało nas, czy problemy te mogą mieć wspólne źródło we wczesnej historii chemicznej Słońca. Ponieważ planety zbudowane są z materiału, który pod względem chemicznym różni się od gazu w dysku, zastanawialiśmy się, czy wczesne pochłonięcie planety mogło pozostawić ślad chemiczny wewnątrz młodego Słońca

Mutlu Yildiz

Do przeprowadzenia obliczeń wykorzystano kod MESA — narzędzie służące do modelowania ewolucji gwiazd. Naukowcy przetestowali różne wersje scenariusza dopływu materii do młodego Słońca, a rezultaty porównali z realnymi, obserwowanymi parametrami naszej gwiazdy.

W obliczeniach uwzględniono też alternatywne warianty dotyczące m.in. równania stanu materii, jej nieprzezroczystości oraz sposobu modelowania mieszania turbulentnego i konwekcyjnego.

Planeta mogła nie wyparować od razu

Intuicyjnie można by przypuszczać, że planeta wpadająca do Słońca zostałaby natychmiast rozerwana na kawałki i w pełni wymieszana z jego zewnętrznymi warstwami. Przeprowadzone symulacje pokazują jednak, że rzeczywistość mogła wyglądać inaczej.

Badacze wskazują, że super-Ziemia mogła przebić się przez zewnętrzne warstwy młodego Słońca, oddając w tym procesie tylko część swojej masy. Gdyby tak faktycznie się stało, materiał z wnętrza planety mógł trafić głębiej do gwiazdy, niż wcześniej sądzono.

To istotny szczegół, bo planety powstają z materii innej chemicznie niż ta, z której zbudowana jest sama gwiazda. Wchłonięcie takiego ciała mogłoby więc odbić się na chemicznym „podpisie" jej wnętrza.

Nie oznacza to, że gdzieś we wnętrzu Słońca czeka na odkrycie fizyczny kawałek planety. Rzecz raczej w subtelnym przesunięciu proporcji poszczególnych pierwiastków i zmianach struktury materii, które mogły przetrwać przez miliardy lat.

Planeta o masie nawet 10 razy większej od Ziemi

Uzyskane wyniki najlepiej tłumaczy scenariusz, w którym młode Słońce wchłonęło superziemię o masie od pięciu do dziesięciu mas Ziemi.

Istotne jest to, że model ten nie rozwiązuje tylko jednej zagadki, lecz pasuje równocześnie do kilku niezależnych pomiarów Słońca — zarówno danych o jego wnętrzu, jak i niezwykle niskiej zawartości litu.

Myśleliśmy, że pochłonięcie planety może wpłynąć na strukturę Słońca, ale nie spodziewaliśmy się, że obliczenia potwierdzą tak konkretny zakres masy superziemi

Mutlu Yildiz

Badacz zaznaczył przy tym, że nie da się jednoznacznie udowodnić, że do takiego zdarzenia doszło. Gdyby jednak przewidywany ślad — strukturalny i chemiczny — udało się potwierdzić niezależnie, na przykład za pomocą obserwacji heliosejsmicznych, byłby to solidny dowód na to, że tak dramatyczne wydarzenie rozegrało się miliardy lat temu.

Źródło: Spider's Web