Te planety powinny zostać pochłonięte przez swoje gwiazdy. A jednak krążą dalej

Istnieją trzy znane planety, które według obowiązujących teorii dawno powinny zostać wchłonięte przez macierzyste gwiazdy. Te gwiazdy w przeszłości napęczniały do olbrzymich rozmiarów, a potem się skurczyły. Problem w tym, że obecne orbity planet leżą głębiej niż sięgały niegdyś gorące zewnętrzne warstwy tych gwiazd.

Grupa badaczy z Chin przyjrzała się trzem takim systemom i stwierdziła, że żaden z nich nie pasuje do przyjętego scenariusza ewolucji gwiazd podobnych do Słońca. W jednym z przypadków planeta okrąża swoją gwiazdę w niecałe 30 dni. Zdaniem zespołu w historii tych układów musiało dojść do czegoś, czego dzisiejsze modele nie przewidują.

Trzy planety tam, gdzie teoretycznie nie powinno ich już być

Grupa pod kierunkiem Wen-Xu Lina i Sheng-Banga Qiana z Uniwersytetu Yunnan zbadała trzy dobrze opisane układy planetarne: 24 Boo, HD 12648 i TYC 4282-605-1. Jak czytamy w pracy opublikowanej w PNAS, wszystkie trzy gwiazdy mają już za sobą fazę największego rozdęcia, typową dla czerwonych olbrzymów.

Gwiazdy w tym stadium bywają w stanie wchłonąć planety krążące w ich sąsiedztwie. Gdy gwiazda zbliżona do Słońca zużyje zapas wodoru w jądrze, jej zewnętrzne warstwy zaczynają puchnąć. Promień potrafi zwiększyć się kilkadziesiąt, a nawet kilkaset razy, sięgając obszarów, w których wcześniej poruszały się planety.

Z analizy wynika jednak, że badane gwiazdy mają ten etap już za sobą. Dziś zaliczają się do tzw. czerwonej gromady olbrzymów - gwiazd, które spalają hel w jądrach. Wcześniej musiały więc osiągnąć ogromne rozmiary, a potem ich powłoki ponownie się zapadły.

Zestawienie dawnych maksymalnych rozmiarów tych gwiazd z dzisiejszymi orbitami planet ujawniło zaskakującą niezgodność. We wszystkich trzech przypadkach planety krążą bliżej gwiazd, niż sięgały ich rozdęte zewnętrzne warstwy. Gdyby znajdowały się na tych orbitach już wtedy, powinny zostać połknięte.

Pełny obieg w 30 dni

Najbardziej uderzającym przykładem opisanym przez autorów jest 24 Boo b - planeta okrążająca gwiazdę 24 Boötis w gwiazdozbiorze Wolarza. Jej pełny obieg trwa około 30 dni, a średnia odległość od gwiazdy to zaledwie 0,183 jednostki astronomicznej, czyli około 27,4 mln km - mniej niż jedna piąta dystansu Ziemia-Słońce. Jak podają badacze, jest to obecnie najbliżej położona swojej gwieździe planeta spośród znanych obiektów krążących wokół olbrzymów spalających hel w jądrze.

Pozostałe dwa układy są równie nietypowe. HD 12648 b krąży w odległości około 0,516 jednostki astronomicznej, a TYC 4282-605-1 b - około 0,488 jednostki astronomicznej. Modele dla obu tych systemów wskazują, że gwiazdy rozszerzały się kiedyś daleko poza obecne orbity swoich planet.

Warto zaznaczyć, że to nie są nowo odkryte planety. HD 12648 b opisano w 2015 r., TYC 4282-605-1 b w 2017 r., a 24 Boo b w 2018 r. Nowe jest dopiero precyzyjne określenie etapu ewolucji ich gwiazd, co zmienia interpretację historii całych układów.

Drgania gwiazd zdradziły ich prawdziwy wiek

Kluczowym krokiem było ustalenie, czy gwiazdy wciąż się rozszerzają, czy ten etap mają już za sobą. Sama temperatura i jasność nie zawsze na to pozwalają, bo czerwony olbrzym na różnych etapach rozwoju może wyglądać niemal identycznie.

Zespół sięgnął po dane z teleskopu kosmicznego TESS, który wychwytuje drobne wahania jasności gwiazd. Posługując się asterosejsmologią, naukowcy zbadali naturalne drgania badanych obiektów. Podobnie jak sejsmolodzy wnioskują o budowie wnętrza Ziemi na podstawie fal sejsmicznych, astronomowie na podstawie drgań odtwarzają strukturę i etap rozwoju gwiazdy.

W przypadku wszystkich trzech gwiazd charakterystyczne częstotliwości drgań wykazały trwające już spalanie helu w jądrze. To silny argument za tym, że faza maksymalnego rozdęcia należy już do przeszłości.

W kolejnym kroku badacze posłużyli się modelami ewolucji gwiazd, by oszacować, jak duże były one w przeszłości. Te dane zestawiono z parametrami orbit planet, wyliczonymi na podstawie pomiarów prędkości radialnych - czyli niewielkich przesunięć gwiazdy spowodowanych grawitacyjnym oddziaływaniem towarzyszącej jej planety. We wszystkich trzech przypadkach wynik był ten sam: trudno pogodzić obecne położenie planet z historią gwiazd przewidywaną przez standardowe modele.

Kilka scenariuszy przetrwania

Kluczowe pytanie brzmi, czy planety faktycznie znajdowały się na dzisiejszych orbitach już w momencie, gdy ich gwiazdy osiągały maksymalne rozmiary. Tego naukowcy na razie nie wiedzą. Obserwacje potwierdzają istnienie planet i etap ewolucji ich gwiazd, nie pokazują jednak bezpośrednio, jak wyglądały orbity miliardy lat wcześniej.

Jedną z branych pod uwagę możliwości jest migracja orbitalna - planety mogły wcześniej krążyć dalej od gwiazd, uniknąć pochłonięcia, a dopiero później przesunąć się bliżej wskutek oddziaływań grawitacyjnych. Badacze biorą też pod uwagę bardziej złożoną historię samych gwiazd. Jeśli część z nich powstała w wyniku połączenia dwóch gwiazd, ich ewolucja mogła przebiegać inaczej, niż zakładają modele opisujące pojedyncze obiekty.

Nie wyklucza się również, że niektóre planety uformowały się dopiero po takim zdarzeniu, z materii pozostałej wokół gwiazdy. To wciąż hipotezy wymagające dalszych badań, a nie potwierdzone wyjaśnienia dla tych trzech układów.

Na Spider's Web pisaliśmy wcześniej o symulacjach pokazujących, że część planet może przetrwać wchłonięcie przez rosnącą gwiazdę. Tamto badanie dotyczyło jednak przejścia przez wspólną otoczkę i dalszej ewolucji w kierunku białego karła. Nowa praca analizuje natomiast realne układy, w których gwiazdy wciąż spalają hel.

Słońce też czeka faza olbrzyma

Odkrycie ma też znaczenie dla prognoz dotyczących losów Układu Słonecznego. Za około 5 mld lat Słońce wejdzie w późne etapy swojej ewolucji i rozrośnie się do czerwonego olbrzyma. Merkury i Wenus niemal na pewno zostaną pochłonięte, natomiast los samej Ziemi zależy od kilku procesów działających w przeciwnych kierunkach.

Słońce będzie stopniowo tracić masę, co może sprzyjać poszerzaniu się orbity Ziemi. Jednocześnie oddziaływania pływowe mogą przyciągać naszą planetę w stronę rosnącej gwiazdy. Na Spider's Web opisywaliśmy już planety, które po śmierci swoich gwiazd znalazły się na bardzo ciasnych orbitach.

Nowe odkrycie nie oznacza jednak, że Ziemia ma większe szanse na przetrwanie. Nie wiadomo nawet, czy trzy opisane planety rzeczywiście przeszły przez bezpośredni kontakt z otoczką swojej gwiazdy. Co więcej, warunki sprzyjające życiu znikną z Ziemi na długo przed tym, zanim Słońce osiągnie maksymalne rozmiary. Do tej pory astronomowie znali tylko jeden podobny przypadek planety na orbicie niezgodnej z przewidywaną historią jej gwiazdy. Teraz liczba takich znanych układów wzrosła do czterech.