Солнце могло поглотить суперземлю и сохранить её следы внутри себя
Солнце могло поглотить крупную каменистую планету на раннем этапе своей истории, а химические следы этого события способны сохраняться в его недрах до сих пор. Новое моделирование показало, что поглощение суперземли массой примерно от пяти до десяти масс Земли может одновременно объяснить несколько расхождений между стандартными моделями Солнца и реальными наблюдениями.
Исследование провёл профессор Эгейского университета в Турции Мутлу Йылдыз. Он проверил гипотезу о том, что молодое Солнце могло поглотить планету, химический состав которой отличался от газа окружающего протопланетного диска. Попадание такого материала внутрь звезды должно было изменить распределение тяжёлых элементов и оставить долговременный след в её структуре.
Одна из проблем современных моделей Солнца связана с гелиосейсмологическими наблюдениями. Изучая распространение акустических колебаний внутри звезды, астрономы могут с высокой точностью восстанавливать её внутреннее строение. Стандартные модели не полностью воспроизводят наблюдаемую скорость звука непосредственно под конвективной зоной и её измеренную глубину.
Другой давней загадкой является чрезвычайно низкое содержание лития на поверхности Солнца. За время существования звезды этот элемент оказался значительно сильнее истощён, чем можно было бы ожидать из некоторых стандартных моделей её эволюции.
Йылдыз предположил, что обе особенности могут иметь общее происхождение и быть связаны с ранней историей формирования Солнечной системы. Молодые звёзды окружены протопланетными дисками, из которых формируются планеты, причём газ и твёрдое вещество в таких дисках имеют различный химический состав.
Для проверки гипотезы исследователь использовал программу MESA, предназначенную для моделирования эволюции звёзд. Были рассчитаны разные сценарии поступления вещества на молодое Солнце, после чего полученные модели сравнили с гелиосейсмическими измерениями и наблюдаемым химическим составом его поверхности.
Отдельно проверялись альтернативные объяснения расхождений, включая изменения непрозрачности вещества, уравнения состояния, различные механизмы турбулентного перемешивания и параметры конвекции. Модели с поглощением планетного материала при этом смогли одновременно лучше воспроизвести несколько независимых характеристик Солнца.
Наиболее подходящие расчёты указывают на поглощение молодой звездой суперземли массой примерно от пяти до десяти масс Земли. Такое тело должно было внести в Солнце материал, обогащённый тяжёлыми элементами, и изменить химическую структуру области под конвективной зоной.
В результате часть планетного вещества могла накопиться ниже основания конвективной зоны. Повышенное содержание тяжёлых элементов изменило бы непрозрачность вещества и внутреннее распределение температуры и плотности, что, в свою очередь, повлияло бы на скорость распространения звуковых волн внутри Солнца.
Моделирование также показало, что сценарий можно согласовать с наблюдаемым дефицитом лития. Для этого поглощённый материал должен был содержать относительно мало лития, а процессы последующего перемешивания должны были способствовать его дальнейшему разрушению во внутренних слоях звезды.
Исследователь отдельно проверил, могла ли каменистая суперземля физически пережить погружение во внешние слои молодого Солнца достаточно долго, чтобы доставить вещество глубоко внутрь звезды. Расчёты с учётом сопротивления среды, разрушения и испарения показывают, что компактная каменистая планета могла пройти через солнечную конвективную оболочку, потеряв лишь небольшую долю своей массы.
Гипотеза связана и с необычной архитектурой Солнечной системы. У многих других звёзд обнаружены суперземли на очень тесных орбитах, тогда как вокруг Солнца подобных планет нет. Ближайшая к нему планета — значительно меньший Меркурий.
Ранее исследователи уже предполагали, что в молодой Солнечной системе одна или несколько суперземель могли сформироваться внутри современной орбиты Меркурия. Взаимодействуя с газом протопланетного диска, такие планеты могли постепенно мигрировать к звезде и в итоге столкнуться с ней.
Предыдущие работы показывали, что подобная миграция физически возможна, однако не доказывали, что она действительно произошла в Солнечной системе. Новое исследование рассматривает проблему с другой стороны — можно ли сегодня обнаружить внутри самого Солнца последствия такого события.
По расчётам, химическое перераспределение после поглощения планеты могло сохраниться на протяжении миллиардов лет. Поэтому внутреннее строение Солнца потенциально способно содержать своеобразный «отпечаток» исчезнувшей планеты даже спустя почти всю историю Солнечной системы.
Однако исследование не доказывает, что Солнце действительно поглотило суперземлю. Полученные результаты показывают, что такой сценарий способен одновременно согласовать несколько наблюдаемых характеристик звезды лучше некоторых альтернативных моделей.
Следующим этапом должна стать независимая проверка предсказанных структурных и химических особенностей с помощью более точных гелиосейсмических наблюдений и дальнейшего моделирования. Если характерный след повышенного содержания тяжёлых элементов под конвективной зоной удастся обнаружить независимо, это станет серьёзным аргументом в пользу того, что миллиарды лет назад в Солнечной системе могла существовать крупная планета, впоследствии поглощённая Солнцем.
Исследование в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.