Planety w układach podwójnych gwiazd mogą mieć ładne widoki, nadające się do zamieszkania

Świat Gwiezdnych Wojen Tatooine to jedna z najbardziej rozpoznawalnych planet w świecie science fiction. To trudne miejsce, a panujące tam warunki na wiele sposobów ukształtowały bohatera Luke’a Skywalkera. We Wszechświecie opartym na rzeczywistości może nie być wielu takich światów. Dzieje się tak dlatego, że według nowego badania przeprowadzonego przez naukowców z Yale Wszechświat lubi być bardziej uporządkowany, co wpływa na planety i ich otoczenie.

W badaniu, kierowanym przez adiunkta Yale Malenę Rice i dwóch współpracowników, przyjrzano się układom podwójnym gwiazd wraz z planetami. W wielu z tych układów planety krążą wokół jednej z dwóch gwiazd.

Po raz pierwszy pokazujemy, że istnieje nieoczekiwane nagromadzenie systemów, w których wszystko jest dopasowane. Planety krążą dokładnie w tym samym kierunku, w którym obraca się pierwsza gwiazda, a druga gwiazda okrąża ten układ w tej samej płaszczyźnie co planety.powiedział Rice.

Poszukiwanie planet układu podwójnego gwiazd
Aby dojść do tego wniosku, zespół Rice’a przejrzał dane dotyczące systemów binarnych w kilku bazach danych. Przeanalizowano także kandydatów z potrójną gwiazdką. Katalog Gaia DR3 zapewniał bardzo precyzyjną astrometrię gwiazdową. Taka dokładność jest kluczowa dla określenia separacji i odległości układów podwójnych i powiązanych z nimi światów. Archiwum egzoplanet NASA dostarczyło parametrów układów planetarnych, a katalog TEPCat właściwości planet tranzytowych dostarczył informacji o właściwościach fizycznych w układach, w których orbity planet przecinają się w linii widzenia gwiazdy i Ziemi.

Zespół wykorzystał wszystkie dane do stworzenia geometrii 3D mapujących planety w układach podwójnych gwiazd. Okazuje się, że dziewięć z 40 badanych systemów miało „idealne dopasowanie”. Oznacza to, że mają wspólne wyrównanie spin-orbita i orbita-orbita. Oznacza to, że w wyniku regularnych, okresowych interakcji grawitacyjnych planety i gwiazdy poruszają się po orbitach, które są do siebie dopasowane. Innymi słowy, wszystko w systemie krąży w tej samej płaszczyźnie i w tym samym kierunku.

Pozasłoneczna planeta TrES-4b krąży wokół gwiazdy w Herkulesie oddalonej o około 1660 lat świetlnych. W systemie jest także towarzysz binarny. Jest to jeden z systemów badany w ramach badań zespołu Rice’a dotyczących wyrównania orbit układów podwójnych z planetami. Wrażenie artysty, autorstwo: Obserwatorium Lowella.

Zdaniem Rice’a ta tendencja do pewnego poziomu synchronizacji może być jednym ze sposobów poszukiwania układów podwójnych, w których istnieje życie.

Może to wskazywać, że układy planetarne lubią dążyć do uporządkowanej konfiguracji.stwierdziła.

To także dobra wiadomość dotycząca formowania się życia w tych układach. Gwiezdni towarzysze, którzy są różnie ustawieni, mogą siać spustoszenie w układach planetarnych, przewracając je lub z czasem powodując błyskawiczne nagrzewanie planet.

Niewłaściwe orbity planet i gwiazd
W układach, które nie są wyrównane (czasami nazywane „niewłaściwymi”) warunki na planetach nie wydają się obiecujące. Większość środowisk w takich światach w ogóle nie sprzyjałaby życiu ani nie stwarzała warunków sprzyjających życiu. Światy w takich systemach mogą być całkowicie zamarznięte lub całkowicie suche i opuszczone. Lub ich orbity mogą być nieregularne, ponieważ odchylają się zbyt blisko lub zbyt daleko od swoich gwiazd. W takim przypadku ich powierzchnie mogą być lawą lub lodem lub zmieniać się z jednej skrajności w drugą.

Niewspółosiowość może w rzeczywistości całkowicie wyrzucić planety z układu. W takim przypadku planeta zostaje wyrzucona w przestrzeń międzyplanetarną i staje się planetą zbuntowaną. Takie światy nie korzystają z ciepła pobliskiej gwiazdy. Konsekwencje dla życia i możliwości zamieszkania na tych planetach są dość ponure.

Umiarkowane światy w układach binarnych
Jeśli badanie przeprowadzone przez Rice i jej współpracowników dotyczy wielu układów podwójnych, jakiego rodzaju światów byśmy się spodziewali? Z pewnością fikcyjne Tatooine wygląda jednocześnie odstraszająco i zachęca do eksploracji. W rzeczywistości, jeśli układ orbit jest stabilny, można pomyśleć o zamieszkałych światach wokół tych gwiazd. W zależności od warunków, niektóre z nich mogą być całkiem miłe i gościnne.

Jednak oczekiwanie rozsądnego, umiarkowanego klimatu podobnego do Ziemi na tak odległym świecie jest nieco naciągane. Byłoby to zupełnie coś innego niż to, czego doświadczamy tutaj, w domu. Dzieje się tak dlatego, że planeta w takim układzie otrzymuje światło od dwóch gwiazd. Przez część roku wszyscy mieszkańcy mieliby ciągłe światło dzienne z każdej gwiazdy oświetlającej bok planety. Jednak temperatury na powierzchni będą się różnić w zależności od odległości gwiazd. I przynajmniej przez jakąś część roku jedna strona planety nagrzewałaby się od obu gwiazd, co sprawiałoby, że wszyscy mieszkańcy byliby bardzo zadowoleni.

Dzięki tym badaniom astronomowie mają teraz możliwość przeszukiwania baz danych pod kątem większej liczby układów podwójnych z wyrównanymi orbitami gwiazd i planet. Ponadto istnieją interesujące implikacje dla badań młodych układów podwójnych z dyskami protoplanetarnymi wokół każdej gwiazdy. Na przykład astronomowie mogliby wykorzystać te dane, aby zrozumieć, jakie ograniczenia dynamiczne istnieją na dyskach w układach wielogwiazdowych. Potrzebnych jest więcej informacji na temat mas i lepkości tych dysków w miarę ewolucji ich gwiazd, a także tego, jak długo dyski te przetrwają w układzie.

Katastrofalna przyszłość łączących się dużych gwiazd

Blisko orbitujące układy podwójne to tykająca bomba zegarowa. Z biegiem czasu zbliżają się do siebie coraz bardziej, aż łączą się w katastrofalnej eksplozji, takiej jak supernowa. Ale w środku ich historii sprawy mogą stać się interesujące. Niektóre gwiazdy zapadają się w białego karła przed połączeniem się ze swoim partnerem, inne są tak blisko siebie, że ich powierzchnie stykają się przez jakiś czas, stając się kontaktowymi układami podwójnymi, zanim w końcu się zderzą. Ale jeden nowo odkryty układ podwójny będzie miał dziką jazdę przed swoim ostatecznym upadkiem.

System znany jest jako SSN 7 i jest spektroskopowym układem podwójnym w Małym Obłoku Magellana. Spektroskopowe oznacza, że dwie gwiazdy są tak blisko siebie i tak daleko, że nie możemy ich rozdzielić jako pojedynczych gwiazd. Zamiast tego wiemy, że są one podwójne, obserwując przesunięcie ku czerwieni i błękit ich linii widmowych. Na podstawie danych linii widmowych astronomowie mogą obliczyć ich wzajemne orbity, a tym samym ich masy.

Połączenia zwartych obiektów odkryte do tej pory przez LIGO i Virgo (w O1, O2 i O3a). Diagram pokazuje czarne (niebieskie), gwiazdy neutronowe (pomarańczowe) i zwarte obiekty o nieznanej naturze (szare), które zostały wykryte przez emisję fal grawitacyjnych. Każde połączenie układu binarnego odpowiada trzem pokazanym zwartym obiektom: dwóm łączącym się obiektom i wynikowi połączenia. Dla porównania pokazano wybór czarnych (fioletowych) i gwiazd neutronowych (żółtych) odkrytych przez obserwacje elektromagnetyczne. Zdjęcie: LIGO Virgo Collaboration / Frank Elavsky, Aaron Geller / Northwestern

Większa gwiazda ma około 55 mas Słońca, a mniejsza około 32 mas Słońca. Co ciekawe, mniejsza z nich jest gwiazdą “główną”, co oznacza, że jest jaśniejsza z tych dwóch. Sugeruje to, że mniejsza gwiazda już żywi się większą we wczesnej fazie łączenia. Okrążają się nawzajem co trzy dni, a ich centra grawitacyjne są oddalone od siebie o zaledwie około 40 promieni słonecznych. Krążą tak blisko, że muszą być kontaktowymi układami podwójnymi.

Opierając się na ich orbitach, obie gwiazdy ostatecznie połączą się w ciągu około 18 miliardów lat. Ale biorąc pod uwagę ich masy, gwiazdy te nie będą żyły wystarczająco długo, aby się połączyć. Gwiazdy o masie powyżej około 20 mas Słońca stają się supernowymi, zanim zapadną się, stając się czarnymi. Większa prawdopodobnie stanie się czarną za około 700 000 lat, a mniejsza za około 200 000 lat. Układ ten doświadczy dwóch supernowych w ciągu następnego miliona lat, tylko po to, by połączyć się jako czarne miliardy lat później.

To, co czyni ten system szczególnie użytecznym dla astronomów, to fakt, że znajduje się on w samym środku układów podwójnych. Większość masywnych gwiazd jest częścią bliskich układów podwójnych. Widzimy wiele z nich jako stabilne układy podwójne, które nie są w trakcie łączenia, i zaobserwowaliśmy wiele łączących się czarnych o masie gwiazdowej poprzez astronomię fal grawitacyjnych. Do czasu powstania tego układu nie zaobserwowaliśmy łączącego się układu podwójnego, który przekształciłby się w łączenie czarnych. Daje nam to doskonały widok na najstarsze lata tych systemów, co pomoże astronomom lepiej zrozumieć ich ewolucję.