Беспрецедентное изображение последних мгновений столкновения планеты с белым карликом

Ученые из Уорикского университета впервые наблюдали последние мгновения распадающейся планеты, падающей к ядру своей умирающей звезды, белого карлика G 29-38. Рентгеновские лучи, испускаемые обломками, нагретыми примерно до миллиона градусов, позволили сделать это увлекательное открытие, проливающее свет на формирование и эволюцию звездных систем, подобных нашей собственной, и на судьбу планет в их составе.

Звезды типа белого карлика представляют собой конечную стадию эволюции подавляющего большинства (более 97%) звезд среднего размера. В настоящее время в нашей галактике обнаружено более 300 000 белых карликов.

В конце своей жизни эти звезды среднего размера переплавили большую часть своего водорода в гелий. Лишенные топлива, они разрушаются под действием гравитации. В результате ядерной реакции гелий превращается в углерод и кислород, в результате чего у звезды остается горячее плотное ядро, масса которого примерно в 0,6 раза превышает массу Солнца. Оставшаяся часть исходной звезды (ее внешние слои) затем рассеивается в межзвездной среде в виде звездного ветра или выбросов вещества из-за нестабильности, предшествовавшей стадии белого карлика.

Поверхностная гравитация белых карликов чрезвычайно высока (в среднем более чем в 100 000 раз больше, чем у Земли). Легкие элементы быстро всплывают на поверхность, в то время как тяжелые элементы опускаются в ядро звезды. Звезда освещает окружающую планетарную туманность в течение примерно 10 000 лет, после чего полностью остывает.

Чтобы определить состав элементов на поверхности белых карликов, ученые используют спектроскопию в оптическом и ультрафиолетовом диапазонах длин волн. Результаты показывают, что 25-50% белых карликов содержат тяжелые элементы, такие как кальций, железо и магний. Поскольку эти элементы не могли сохраняться на поверхности с начала жизни белого карлика, их присутствие подразумевает, что они аккрецировали на поверхность совсем недавно. Это известно как "загрязненный" белый карлик. В 2003 году благодаря инфракрасному космическому телескопу "Спитцер" исследователи смогли наблюдать множество дисков вокруг белых карликов и интерпретировать их как признаки непрерывной аккреции обломков астероидов, комет и планет-гигантов.

Исследование, опубликованное 9 февраля 2022 года, представляет собой первое прямое измерение этой аккреции на белом карлике. Это подтверждает десятилетия косвенных свидетельств этого явления у более чем тысячи звезд. До сих пор измерения скорости аккреции основывались в основном на численных моделях, рассчитывающих скорость, с которой элемент спускается из атмосферы в звезду. Это позволяет определить количество падающего материала (или скорость аккреции), а затем его возможное происхождение в зависимости от его состава (астероиды и т.д.).

Благодаря улучшенному угловому разрешению космического телескопа Чандра, специализирующегося на рентгеновских наблюдениях, авторы выделили целевую звезду G29-38 из других рентгеновских источников и впервые смогли наблюдать только ее излучение.

Доктор Тим Каннингем с кафедры физики Уорикского университета, один из авторов исследования, говорит в своем заявлении: "Наконец-то мы увидели, как материя действительно входит в атмосферу звезды. Мы впервые смогли вывести скорость аккреции, которая не зависит от детальных моделей атмосферы белого карлика".

В 2021 году телескоп "Чандра" уже обнаружил белый карлик, периодически испускающий сильное рентгеновское излучение в сторону своего компаньона в бинарной системе (астрономическая система, состоящая из двух небесных объектов, таких как звезды, планеты, галактики, астероиды или черные дыры). По мнению авторов, это может быть "результатом аккреции скрытого компаньона". Исследование Т. Каннингема, похоже, подтверждает эту гипотезу.

Действительно, когда вещество этих тел-"компаньонов" втягивается в звезду с достаточно высокой скоростью, оно сталкивается с ее поверхностью, образуя ударно-нагретую плазму. Эта плазма с температурой от ста тысяч до миллиона Кельвинов оседает на поверхности и, остывая, испускает рентгеновские лучи, которые можно обнаружить.

"Это наблюдалось непосредственно для белых карликов, аккрецирующих звездных компаньонов, но никогда для белого карлика, аккрецирующего планетарные обломки", — говорит Каннингем.

Это обнаружение дает первое прямое доказательство того, что белые карлики в настоящее время накапливают остатки древних планетных систем. Этот новый метод наблюдения позволит изучить эти системы, что даст представление о вероятной судьбе тысяч известных экзопланетных систем.

Может ли наша Солнечная система следовать этому образцу? Насколько нам известно, через несколько миллиардов лет Солнце станет красным гигантом и поглотит Меркурий, Венеру и Землю. Однако за пределами Марса планеты не будут полностью уничтожены. Затем они образуют бинарную систему с белым карликом. Это приведет к возникновению явления аккреции. Формирование протопланетного диска, состоящего из кислорода, железа, магния и кремния (четыре элемента, в изобилии встречающиеся на Земле), потенциально может привести к образованию новой планеты. Этот процесс будет происходить подобно тому, как это происходит у звезды на главной последовательности (период, в котором сейчас находится Солнце).

Таким образом, изучение состава загрязненных белых карликов может дать нам информацию об их потенциале породить планеты, похожие на Землю, на которых может развиться жизнь, как мы ее знаем.