Тихий ужас космоса: приливные силы заставляют планеты кружить по спирали прямо в пасть звезды

Когда звёзды вроде нашего Солнца исчерпывают свой запас водорода, они начинают угасать, расширяться и превращаться в красных гигантов — и в этом процессе их ближайшие планеты могут быть обречены. Исследование учёных из Калифорнийский университет в Лондоне и Уорикский университет проливает свет на то, как именно планеты-гиганты, вращающиеся очень близко к своим звёздам, нередко исчезают на ранних стадиях эволюции этих звёзд.

Что сделали учёные

Команда проанализировала почти полмиллиона звёзд, которые уже покинули фазу главной последовательности и перешли в фазу ранней пост-главной последовательности. Они использовали данные от космического телескопа TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) и искали сигналы, указывающие на прохождение планеты перед диском звезды, то есть уменьшение яркости. Особое внимание уделялось крупным планетам-гигантам, совершающим оборот вокруг звезды за не более чем 12 дней.

Из первоначальных более чем 15 000 потенциальных сигналов после детальной проверки осталось 130 подтверждённых планет и кандидатов: из них 48 ранее известных, 49 уже числились как кандидаты, и 33 были новыми открытиями исследователями.

Что обнаружили и почему это важно

Основной результат: чем дальше звезда продвинулась в своём развитии — то есть чем больше она расширилась и охладилась — тем меньше у неё остаётся близко вращающихся гигантских планет. Иными словами: статистика показывает, что такие планеты либо не образуются, либо уже разрушены к тому моменту, когда звезда становится красным гигантом.

Исследование приводит следующие цифры:

• в общем случае доля звёзд с такими близкими гигантами составляет около 0,28 %.

• для звёзд на самых ранних стадиях после главной последовательности — около 0,35 %, что близко к тем показателям, что наблюдаются у звёзд на главной последовательности.

• а среди самых продвинутых эволюционно звёзд (которые можно классифицировать как красные гиганты) доля планет-гигантов с коротким периодом падает до 0,11 %.

Учёные связывают это с тем, что по мере расширения и охлаждения звезды возрастает значимость приливных взаимодействий между звездой и её планетой: как Луна вызывает приливы на Земле, так и сама планета вызывает приливные деформации в звезде, что замедляет орбитальное движение планеты и ведёт её к закручиванию по спирали и, в конечном счёте, либо к разрушению, либо к поглощению звездой.

"Это убедительное доказательство того, что, когда звёзды выходят из своей главной последовательности, они могут быстро вызывать вращение планет по спирали и их разрушение. … Мы ожидали увидеть этот эффект, но всё равно были удивлены тем, насколько эффективно эти звезды поглощают близкие им планеты", — сказал ведущий автор исследования Эдвард Брайант.

Почему это актуально для нашей Солнечной системы

Наше Солнце через примерно пять миллиардов лет тоже станет красным гигантом и подвергнется тем же механизмам. Исследование предполагает, что крупные планеты, находящиеся очень близко к звезде, могут быть уничтожены ещё на ранних стадиях расширения и охлаждения звёзд-хозяев. Для нашей системы это означает, что Юпитер-подобные или более крупные планеты лишь при условии стабильной орбиты на достаточном расстоянии имеют шансы "дожить" до момента, когда Солнце станет красным гигантом.

Таблица "Сравнение"

Как это делалось (HowTo)

1. Использовать данные космического телескопа TESS — он отслеживает снижения яркости звёзд в результате транзитов.

2. Отфильтровать сигналы с периодом орбиты до ~12 дней, то есть очень близко к звезде.

3. Применить алгоритм выявления повторяющихся провалов яркости — свидетельств транзита планеты.

4. Исключить ложные сигналы (инструментальные шумы, звёздные вариации и др.).

5. Разделить объекты на подтверждённые планеты и кандидатов — для подтверждения нужна масса тела (чтобы исключить коричневые карлики или маломассивные звёзды).

6. Сопоставить наличие/отсутствие таких планет с эволюционным состоянием звезды — насколько она расширилась, охладилась, классифицирована ли как красный гигант.

Ошибка → Последствие → Альтернатива

• Ошибка: считать, что все планеты устойчивы вне зависимости от эволюции звезды.
  → Последствие: переоценка шансов выживания планет.
  → Альтернатива: учитывать приливные взаимодействия и фазу эволюции звезды при прогнозе долгосрочной стабильности планетной системы.

• Ошибка: не учитывать, что близкие гигантские планеты могут быть уничтожены ещё до стадии заметного красного гиганта.
  → Последствие: неправильные расчёты частоты экзопланет вокруг эволвированных звёзд.
  → Альтернатива: использовать статистику, как в данном исследовании, и смотреть на долю планет-гигантов на разных стадиях эволюции звёзд.

А что если…

А что если наша планета-гигант Юпитер окажется ближе к Солнцу в будущем? Тогда эффект приливного взаимодействия усилится, и вероятность его долгосрочного выживания снизится. Если бы у нас была другая система, где гигант вращается очень близко к звезде, исследование показывает: шансы его существования при переходе звезды в стадию красного гиганта минимальны.

FAQ

Что значит "пост-главная последовательность"?
Это стадия, когда звезда исчерпала основной запас водорода в ядре и изменила способ горения и структуру — она начинает расширяться и охлаждаться.

Почему важно, что планеты-гиганты вращаются очень близко к звезде?
Чем ближе орбита, тем сильнее приливные взаимодействия между планетой и звездой. Это ускоряет потерю орбитальной энергии, приводит к закручиванию орбиты и, возможно, к уничтожению планеты.

Может ли сама Земля быть поглощена Солнцем, когда оно станет красным гигантом?
Исследователи считают, что Земля "безусловно безопаснее" по сравнению с гигантскими планетами на очень близких орбитах. Однако и для неё не гарантировано существование жизни в этой фазе.

Мифы и правда

Миф: все планеты вокруг красных гигантов исчезают.
Правда: не все исчезают, но частота близко вращающихся гигантов значительно снижается с эволюцией звезды.
Миф: если планета образовалась, она останется неизменной навсегда.
Правда: эволюция звезды может разрушить или поглотить планету через приливные силы.
Миф: планеты-гиганты на любых орбитах уничтожены.
Правда: удалённые орбиты дают большую вероятность выживания.

Исторический контекст

1. Уже раньше теоретически предлагалось, что звёзды-гиганты могут поглощать близкие планеты через приливные эффекты (см. работы Villaver & Livio).

2. В последние десятилетия начались наблюдательные поиски экзопланет вокруг эволвированных звёзд, чтобы проверить эти теории.

3. Новое исследование теперь предоставляет первую статистику крупного набора данных, подтверждающую эффект массового исчезновения близких гигантов в ранней фазе пост-главной последовательности.

3 интересных факта

Учёные нашли 33 новых кандидата планет-гигантов именно по данным этого исследования — ранее не зарегистрированных.

Доля таких планет падает почти в треть раза (с ~0,35 % до ~0,11 %) от ранней до поздней стадии эволюции звезды.

Использование TESS позволило обрабатывать сигналы от сотен тысяч звёзд и выявлять транзиты даже очень коротко­периодичных планет.