Tag: planety

Jedna na dziesięć gwiazd zjadała Jowisza (lub jeszcze większą planetę)

Radosław B. AMBROŻY

W kosmosie kataklizmiczne wydarzenia zdarzają się gwiazdom przez cały czas. Niektóre eksplodują jako supernowe, niektóre zostają rozerwane przez czarne dziury, a niektóre cierpią z powodu innego losu. Ale jeśli chodzi o planety, gwiazdy odwracają losy wydarzeń. Gwiazdy regularnie dokonują zniszczenia. Rozszerzające się czerwone olbrzymy pochłaniają i niszczą planety, które znajdują się zbyt blisko, a nowe badania dokładniej przyglądają się procesowi pochłaniania gwiazd.

Gwiazdy takie jak nasze Słońce w końcu staną się czerwonymi olbrzymami. Poprzez fuzję jądrową przekształcają masę w energię. W ciągu swojego życia zrzucają tyle masy i energii, że w końcu rozszerzają się i zmieniają kolor na czerwony. Dla planet, które znajdują się zbyt blisko tych spuchniętych sfer, oznacza to koniec. W końcu zostają pochłonięte i całkowicie zniszczone. Wiele badań zagłębiło się w proces pochłaniania planet, a nowe badania obliczyły, że jedna na dziesięć wyewoluowanych gwiazd w Drodze Mlecznej pochłonie planety o masie Jowisza.

Badanie nosi tytuł “Giant planet engulfment by evolved giant gas: light curves, asteroseismology, and survivability”. Pierwszym autorem jest Christopher O’Connor. O’Connor jest doktorantem na Wydziale Astronomii Cornell University. Badanie nie zostało jeszcze zrecenzowane.

Badania koncentrują się na dwóch typach wyewoluowanych gwiazd, które są ze sobą ściśle powiązane: gwiazdach czerwonego olbrzyma (RGB) i gwiazdach Asymptotic Giant Branch (AGB). Oba są bardzo podobne, a w rzeczywistości gwiazdy RGB mogą stać się gwiazdami AGB. Termin “gwiazda wyewoluowana” jest wystarczająco opisowy, aby objąć oba, a w tej pracy ważne jest to, że gwiazdy RGB i gwiazdy AGB opuściły ciąg główny.

Gdy te wyewoluowane gwiazdy tracą masę, rozszerzają się, a na tym etapie wszelkie planety znajdujące się blisko są w niebezpieczeństwie. Otoczka konwekcyjna gwiazdy pęcznieje i usidla planetę. Powoduje to opór, który powoduje, że planeta spiralnie kieruje się do wewnątrz w kierunku gwiazdy. Astronomowie wiedzą o tym i w tej pracy autorzy zbadali częstotliwość tych zdarzeń i reakcję gwiazd. Opisują gwiazdę podobną do Słońca jako gwiazdę o masie od 1 do 2 mas Słońca. Około 10% tych gwiazd pochłonie planetę o masie od 1 do 10 mas Jowisza. Dla tych relacji masowych spirala zajmie od 10 do 100 lat lub od 100 do 1000 orbit.

 

Aby określić te zakresy i jak reaguje gwiazda, naukowcy wykorzystali otwarte oprogramowanie astronomiczne o nazwie MESA (Modules for Experiments in Stellar Astrophysics). “Używamy oprogramowania Modules for Experiments in Stellar Astrophysics (MESA) do śledzenia reakcji gwiazdy na depozycję energii, jednocześnie ewoluując orbitę planety” – wyjaśniają. MESA ujawniła, w jaki sposób różne wyewoluowane gwiazdy reagowały na pochłaniające planety o różnych masach.

Podczas gdy wiele wydarzeń astrofizycznych rozgrywa się na przestrzeni tysięcy, milionów, a nawet setek milionów lat, pochłonięcie planety jest znacznie szybszym procesem. Ale zanim planeta i gwiazda wejdą w kontakt, dwie rzeczy przyciągają je do siebie: ekspansja gwiazd i rozpad orbity. Jest to pierwsza faza pochłonięcia, w której tarcie pływowe powoduje rozpad orbity planety. Autorzy wyjaśniają, że tarcie pływowe jest “najprawdopodobniej spowodowane turbulentnym rozpraszaniem w otoczce konwekcyjnej gwiazdy”. W tym momencie procesu opór z korony gwiazdowej i wiatru gwiazdowego jest minimalny.

Gdy gwiazda i planeta zaczynają się ze sobą stykać, wszystko się zmienia. Tarcie pływowe schodzi na dalszy plan, aby pociągnąć za sobą siły. Autorzy nazywają to fazą “wypasu”. “Hydrodynamiczna interakcja gwiazdy i planety jest złożona i trójwymiarowa” – piszą. Złożoność fazy wypasu może obejmować zjawiska takie jak wyrzucanie materii z gwiazdy oraz optyczne i rentgenowskie stany przejściowe wywołane wstrząsami. Ale to badanie na razie pozostawia te zjawiska na boku.

Ten rysunek z artykułu pokazuje ciepło zdeponowane w gwiazdach w późniejszej fazie wdechu. RGB i AGB w legendzie są modelowanymi gwiazdami macierzystymi o różnych masach. Oś x pokazuje masę planety, a oś y pokazuje ilość zdeponowanego ciepła. Oczywiście, im masywniejsza planeta, tym więcej ciepła jest zdeponowane. Zdjęcie: O’Connor. 2023.

Skupiamy się na późniejszej” inspirującej “fazie pochłonięcia, kiedy planeta jest całkowicie zanurzona w otoczce.piszą.

Kiedy planeta znajduje się w fazie wdechu, odkłada ciepło na gwiazdę. Druga część tej fazy nazywana jest późną fazą wdechową, a ciepło dodawane do gwiazdy podczas tej fazy jest w dużej mierze odpowiedzialne za reakcję gwiazdy. Masa planety jest czynnikiem decydującym o tym, ile ciepła jest zdeponowane. Ogólne wyniki naukowców pokazują, że dla obu typów wyewoluowanych gwiazd pochłaniających planetę po niskiej stronie zakresu, do trzech mas Jowisza, zmiany w strukturze gwiazdy są łagodne do umiarkowanych. Jasność gwiazdy wzrasta nawet o jedną wielkość w ciągu zaledwie kilku lat. Jaśniejsze gwiazdy mogą doświadczyć podwójnego szczytu.

W przypadku gwiazd w późniejszych stadiach AGB, pochłonięta planeta może spowodować poważne zakłócenia w zewnętrznych warstwach gwiazdy. Może wywołać naddźwiękową ekspansję zewnętrznych warstw gwiazdy. W tym przypadku gwiazdy mogą przypominać Luminous Red Novae (LRN), ponieważ wytwarzają jasne, czerwone, pyłowe erupcje.

Ten rysunek z badań pokazuje zmiany promienia i wielkości gwiazdowej dla jednej z gwiazd macierzystych modelowanych w badaniach. Górny panel pokazuje, w jaki sposób gwiazda może rozszerzać się i kurczyć wielokrotnie podczas pochłaniania. Dolny panel pokazuje, jak zmienia się wielkość gwiazdy. Zdjęcie: O’Connor 2023.

Niezależnie od rodzaju gwiazdy, masy planety i tego, jak gwiazda reaguje na pochłonięcie, los planety jest zawsze taki sam: rozerwanie pływowe.

Badanie to ma ograniczone zastosowanie do naszego Układu Słonecznego. Nasze Słońce stanie się czerwonym olbrzymem za kilka miliardów lat, ale jeśli wcześniej nie wydarzy się coś ekstremalnie destrukcyjnego, Jowisz jest poza zasięgiem. Zamiast tego wewnętrzne skaliste planety stoją w obliczu pochłonięcia.

Badanie to opiera się na symulacjach, a nie obserwacjach, ale symulacje mogą pomóc astronomom zidentyfikować rzeczywistą rzecz, kiedy to się dzieje. Pochłonięcia są zdarzeniami przejściowymi, a niektóre istniejące i przyszłe teleskopy i obserwatoria koncentrują się wyłącznie na zjawiskach przejściowych i astronomii w dziedzinie czasu. Kiedy Obserwatorium Vera Rubin zostanie uruchomione około sierpnia 2024 roku, dostrzeże wiele przejściowych zdarzeń, z których niektóre będą wyewoluowanymi gwiazdami pochłaniającymi planety o masie Jowisza.

Budowanie układów planetarnych, które mogą trwać wiecznie

Radosław B. AMBROŻY

Jedną z wad stref nadających się do zamieszkania jest to, że mają one dość wąski zakres odległości. Na przykład w naszym Układzie Słonecznym, Wenus znajduje się zbyt blisko Słońca, a Mars jest zbyt daleko, aby którykolwiek z nich mógł być w ekosferze Słońca. Jeśli w przyszłości staniemy się super zaawansowanym gatunkiem, możemy popchnąć orbity Wenus i Marsa bliżej Ziemi, ale może to spowodować pewne problemy. W szczególności, jeśli orbity są zbyt podobne, perturbacje grawitacyjne mogą sprawić, że wszystkie trzy orbity będą niestabilne w ciągu tysięcy lat, co zrujnuje cały sens przeprojektowania naszego systemu.

Na szczęście istnieje sposób, aby dwa światy miały bardzo podobne orbity. Widzimy to na dwóch księżycach Saturna, Epimeteusza i Janusa. Przez większość czasu jedna z nich ma nieco bliższą orbitę Saturna, co oznacza, że pędzi szybciej, aż prawie dogoni drugą. Następnie dwa księżyce wykonują mały taniec grawitacyjny, w którym zewnętrzny księżyc jest przyciągany do wewnątrz, a wewnętrzny księżyc na zewnątrz. Tak więc oba księżyce nigdy się nie zderzają, mimo że zasadniczo mają tę samą orbitę. W stosunku do Epimeteusza, Janus śledzi ścieżkę w kształcie podkowy, dlatego nazywa się je orbitami podkowiastymi.

Jak wiele orbit podkowy planetarnej może ewoluować w czasie. Źródło: Raymond

Zasadniczo dwa światy podobne do Ziemi krążące wokół gwiazdy podobnej do Słońca mogą mieć wzajemne orbity podkowy, dzieląc w ten sposób wspólną ekosferę. Istnieją przykłady małych ciał wychwyconych na orbitę podkowy z Ziemią, ale wydają się być niestabilne. Orbity stają się bardziej stabilne, jeśli mają podobną masę. W tym badaniu zespół chciał dowiedzieć się, ile światów może być upakowanych na podobnej orbicie. Zaczęli od założenia, że wszystkie światy będą miały masę Ziemi i okrążą gwiazdę podobną do Słońca w odległości 1 au. Odkryli, że gdy dodasz więcej planet, orbity stają się nieco bardziej zmienne, ale możliwe jest upakowanie aż 24 ziemskich światów w stabilne rezonanse podkowy. Orbity tych światów byłyby stabilne przez miliardy lat przy odpowiednim ustawieniu.

Zespół poszedł dalej, aby zbadać, jak taki system może wyglądać z odległości lat świetlnych. Gdyby orbity takiego układu były ustawione tak, aby przechodzić przed ich gwiazdą z naszego punktu obserwacyjnego, moglibyśmy wykryć je jako egzoplanety za pomocą metody tranzytów. Taki dziwny system mógłby udowodnić istnienie zaawansowanej cywilizacji.

Prawdopodobnie nie odkryjemy tak niezwykłego systemu, ale jest to szalony pomysł do rozważenia, szczególnie jeśli spróbujesz wyobrazić sobie, jak wyglądałoby nasze nocne niebo, gdyby było wypełnione 23 innymi Ziemiami. To zdecydowanie byłoby warte wakacji w miejscu ciemnego nieba, aby podziwiać widok.

Planety mogą chronić swoją wodę, dopóki ich gwiazda nie będzie stabilna

Radosław B. AMBROŻY

Tworzenie planet skalistych to niechlujny, niebezpieczny i gorący proces. Przyszłe planety gromadzą się razem, co wytwarza ciepło i ciśnienie na nowo narodzony świat. Pobliska młodociana gwiazda bombarduje je intensywnym promieniowaniem. To prawdopodobnie “wypala” wszelkie powierzchniowe oceany, jeziora lub rzeki, co jest katastrofą, jeśli szukasz miejsc, w których życie może powstać lub istnieć. To dlatego, że życie potrzebuje wody, a planety wokół tych gwiazd są jednymi z najbardziej narażonych na życie. Ale to nie wygląda zbyt optymistycznie, jeśli promieniowanie paruje wodę.

Naukowcy z University of Cambridge w Wielkiej Brytanii stworzyli złożony model, który opisuje świat, w którym większość wody jest zamknięta głęboko pod powierzchnią, nie w basenach lub oceanach, ale w skałach. Technicznie rzecz biorąc, jest uwięziony w minerałach głęboko pod powierzchnią. Jeśli warunki są odpowiednie na światach wokół tych najpowszechniejszych gwiazd w Galaktyce, może być w nich wystarczająco dużo wody, aby dorównać kilku ziemskim oceanom.

Clare Guimond, doktorantka z Cambridge, wraz z dwoma innymi badaczami, opracowała model, który opisuje noworodki wokół światów typu M krążących wokół czerwonych karłów.

Chcieliśmy zbadać, czy te planety, po tak burzliwym wychowaniu, mogą się zrehabilitować i przejść do wody powierzchniowej.powiedziała.

Praca jej zespołu pokazuje, że planety te mogą być bardzo dobrym sposobem na zastąpienie ciekłej wody powierzchniowej przepędzonej we wczesnym okresie życia gwiazdy macierzystej. “Model daje nam górną granicę ilości wody, jaką planeta może przenosić na głębokości, w oparciu o te minerały i ich zdolność do pobierania wody do swojej struktury.”

Czerwone karły typu M są najpowszechniejszymi gwiazdami w Galaktyce. To czyni je dobrymi przedmiotami do badania zmiennych formowania się planet. Powstają tak samo jak inne gwiazdy. Po przekroczeniu wieku niemowlęcego mają również tendencję do wybuchu i temperamentu, podobnie jak inne gwiazdy. Jednak pozostają kolki znacznie dłużej niż inne gwiazdy. To nie wróży dobrze powierzchniom planet (lub protoplanet) w pobliżu. Jeśli nie jest upieczona, woda migruje pod ziemię. Ale czy zdarzyłoby się to z każdą skalistą planetą? Jaki rozmiar świata potrzeba, aby to zrobić?

Zespół odkrył, że rozmiar planety i ilość minerałów zawierających wodę określa, ile wody może ona “ukryć”. Większość kończy w górnym płaszczu. Ta skalista warstwa leży bezpośrednio pod skorupą. Zwykle jest bogaty w tak zwane “minerały bezwodne”. Wulkany żywią się tą warstwą, a ich erupcje mogą ostatecznie przynieść parę i parę z powrotem na powierzchnię poprzez erupcje.

Oliwin jest minerałem występującym w skorupie ziemskiej i pod ciśnieniem przekształca się w bezwodne minerały wadsleyit i ringwoodite. Takie minerały mogą magazynować wodę głęboko pod powierzchnią planety. Zdjęcie: Tom Trower

Nowe badania wykazały, że większe planety – około dwa do trzech razy większe od Ziemi – zazwyczaj mają bardziej suchy skalisty płaszcz. To dlatego, że bogaty w wodę górny płaszcz stanowi mniejszą część jego całkowitej masy.

Ten nowy model pomaga planetologom zrozumieć nie tylko warunki w momencie narodzin Ziemi, ale także bogate w wodę obiekty, które akreują, tworząc planety. Jednak tak naprawdę jest bardziej ukierunkowany na środowisko formowania się większych planet skalistych wokół czerwonych karłów typu M. Dzięki burzowemu okresie dojrzewania ich gwiazdy, światy te prawdopodobnie doświadczały chaotycznych warunków klimatycznych przez długi czas. Mogły one działać, aby wysłać ciekłą wodę głęboko pod ziemię. Gdy ich gwiazdy się uspokoiły, woda mogła wynurzyć się na różne sposoby.

Model może również wyjaśnić, w jaki sposób wczesna Wenus mogła przejść od bycia jałowym krajobrazem piekielnym do świata wodnego. Kwestia wody na Wenus jest oczywiście nadal przedmiotem gorących dyskusji. Jeśli jednak cztery miliardy lat temu miał płynne baseny i oceany, jak do nich doszło?

Jeśli tak się stało, Wenus musiała znaleźć sposób na ochłodzenie się i odzyskanie wody powierzchniowej po urodzeniu się wokół ognistego Słońca. Możliwe, że w tym celu sięgnął do wody wewnętrznej.powiedział partner badawczy Guimonda, Oliver Shorttle.
Zespoły naukowe zidentyfikowały minerały typu ilastego na asteroidzie Bennu. Woda z takich obiektów jest wnoszona do większych światów podczas procesu akrecji.

Wreszcie, obecne badania mogą dostarczyć nowych wskazówek w poszukiwaniu egzoplanet nadających się do zamieszkania w pozostałej części Galaktyki.

To może pomóc w udoskonaleniu naszej klasyfikacji planet, które należy zbadać jako pierwsze. Kiedy szukamy planet, które mogą najlepiej utrzymywać wodę, prawdopodobnie nie chcemy planety znacznie masywniejszej lub znacznie mniejszej od Ziemi.mówi Shorttle.

Czynniki w modelu Guimonda mają również wpływ na powstawanie i mineralogię planet skalistych. Dokładniej, może wyjaśnić, co jest przechowywane wewnątrz planety, szczególnie między powierzchnią a płaszczem. Przyszłe badania prawdopodobnie przyjrzą się przyjazności i klimatom zarówno skalistych, jak i bogatych w wody powierzchniowe światów.

Planety utrudniają ustalenie wieku gwiazdy

Radosław B. AMBROŻY

Oszacowanie wieku gwiazd zawsze było wyzwaniem dla astronomów. Teraz pewna klasa egzoplanet jeszcze bardziej komplikuje ten proces. Według nowego badania, gorące Jowisze – gazowe olbrzymy z okresami orbitalnymi mniejszymi niż Merkury – wydają się mieć działanie przeciwstarzeniowe na swoich gwiazdach. Te ogromne planety powodują interferencję zarówno magnetyczną, jak i pływową na swojej gwieździe macierzystej, przyspieszając rotację gwiazdy i powodując, że emitują one promieniowanie rentgenowskie z większą energią, co jest cechą charakterystyczną młodości gwiazd. Wynik poddaje w wątpliwość część tego, w co wcześniej wierzyliśmy na temat wieku gwiazd, i daje wgląd w trwającą wzajemną łączność między gwiazdą a jej planetami długo po ich utworzeniu.

Samo określenie wieku gwiazdy jest wystarczająco trudne bez uwzględnienia interferencji planetarnej. Jesteśmy całkiem pewni wieku naszego Słońca, ponieważ jesteśmy wystarczająco blisko, aby pobrać próbki geologicznych pozostałości po formacji Układu Słonecznego, ale w przypadku innych gwiazd nasze najlepsze przypuszczenia to szacunki, a nie dokładne daty. Wiemy, że pewne typy gwiazd przechodzą przez fazy na różnych etapach życia w zależności od ich masy (w ten sposób wiemy, że Betelgeuse przejdzie w stan supernowej w ciągu najbliższych 100 000 lat). Jeśli masz całą gromadę gwiazd różnych typów, możesz wykreślić ich poszczególne etapy życia na diagramie Hertzspringa-Russella, używając ich koloru i jasności, i wspólnie oszacować wiek wszystkich gwiazd w gromadzie. Metoda nie jest do końca dokładna, ale jest lepsza niż nic.

Sprawy się komplikują, jeśli chcesz poznać wiek pojedynczej gwiazdy. Wiemy, że młode gwiazdy rotują szybko i zwalniają wraz z wiekiem. Jest to przydatne narzędzie do datowania młodych gwiazd, ale mniej przydatne dla starszych, które czasami utrzymują stałą prędkość obrotową do końca życia. Młode gwiazdy są również bardziej podatne na rozbłyski i emisje rentgenowskie niż ich starsi rówieśnicy. Żadna metryka nie oferuje idealnej metody datowania, ale może zapewnić wykonalne oszacowanie.

Teraz wydaje się, że egzoplanety mogą pokazać kolejne problemy z datowaniem wieku gwiazd.

Kiedy odkryto gorące Jowisze (pierwsze zaobserwowano w 1995 r.), astronomowie zauważyli, że w niektórych przypadkach gwiazdy, wokół których krążą, wydawały się młodsze niż oczekiwano. Ale ponieważ nasze gwiezdne metody datowania są tak niedokładne, trudno było stwierdzić, czy był to prawdziwy efekt starzenia się spowodowany przez planety, czy też gwiazdy, o których mowa, były po prostu młode.

W artykule niedawno zaakceptowanym przez Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, zespół z Leibniz Institute for Astrophysics Potsdam (AIP) znalazł sposób na rozwiązanie tego problemu. Rozwiązaniem było zbadanie układów podwójnych gwiazd, w których jedna gwiazda w parze ma gorącego Jowisza, a druga nie. Gwiazdy binarne są zwykle w tym samym wieku, więc można je porównać, aby określić, czy efekt starzenia się jest rzeczywisty.

To prawie jak wykorzystanie bliźniaków w badaniu, w którym jeden z bliźniaków mieszka w zupełnie innej okolicy, która wpływa na ich zdrowie. Porównując jedną gwiazdę z pobliską planetą do jej bliźniaczej bez jednej, możemy badać różnice w zachowaniu gwiazd w tym samym wieku.mówi Katja Poppenhäger, szefowa sekcji Fizyki gwiazd i egzoplanet w AIP.

W badaniu, prowadzonym przez doktorantkę Nikoletę Ilic, wykorzystano dane z Obserwatorium Rentgenowskiego Chandra i Obserwatorium XMM-Newton ESA do zbadania 16 układów podwójnych gwiazd, w których jedna z gwiazd miała gorącego Jowisza. Odkrycia potwierdzają, że rzeczywiście gwiazdy, w których znajdują się masywne pobliskie planety, wydają się młodsze niż ich bliźniaki bez towarzystwa.

Kluczem do tej odmładzającej interakcji jest to, że okres obiegu gorącego Jowisza musi być szybszy niż okres rotacji gwiazdy. W takich przypadkach planeta przenosi pewien moment pędu na gwiazdę poprzez siły pływowe, powodując przyspieszenie planety i gwałtowny wzrost poziomu emisji promieniowania rentgenowskiego.

Autorzy zastanawiali się również, czy wzrost emisji promieniowania rentgenowskiego był spowodowany przez pola magnetyczne, a nie siły pływowe – w końcu planety takie jak Jowisz mają zwykle silne pola magnetyczne. Ale fakt, że gwiazdy oprócz zwiększonej aktywności rentgenowskiej obracały się również szybciej, wskazuje na grawitacyjne, czyli pływowe, źródło procesu starzenia, a nie magnetyczne. Wyniki badania wskazują, że starzenie się gwiazd jest bardziej złożone niż wcześniej sądziliśmy, a planety – szczególnie masywne, szybko poruszające się – mogą kształtować same cykle życia swojej gwiazdy macierzystej.

Ale co z planetami podobnymi do Ziemi? Czy odmładzają też swoje gwiazdy macierzyste? Wydaje się, że odpowiedź brzmi nie. W rzeczywistości w badaniu gwiazdy z małymi odległymi planetami faktycznie wydawały się ciemniejsze i spokojniejsze (a zatem być może starsze) niż ich bliźniaczki. Ale po bliższym przyjrzeniu się, uznano to za przypadek, tłumaczony faktem, że te gwiazdy były gwiazdami typu F/G, które osiągnęły inny, spokojniejszy etap swojego cyklu życia niż ich bliźniak typu M, który zajmuje dłużej, aby osiągnąć porównywalnie spokojny etap. Krótko mówiąc, małe planety nie mają dużego wpływu na wiek ich gwiazd. Robią to tylko duże, a nawet wtedy, gdy krążą bardzo blisko siebie. Morał tej historii jest taki, że jeśli jesteś gwiazdą i chcesz pozostać młodym, warto mieć towarzystwo Gorącego Jowisza.