Некропланетология: о попытках спектрального анализа сгорающих планет

Статья о приливном захвате ^[1], опубликованная мной две недели назад, оказалась очень интересна сообществу и получила высокую оценку: по состоянию на 26 ноября имела +69. Эта тема явно требует продолжения, тем более, что я уже затрагивал ранее тему близкого контакта звезд и экзопланет в статье «Что варится в пекулярных звездах ^[2]» от 5 июня.

В самой завязке «Соляриса» Станислав Лем рассказывает об орбитальных свойствах той планеты, на которой обитал разумный океан — показавшихся землянам парадоксальными. Планета Соляриса обращалась одновременно вокруг двух звезд, красной и голубой. По сюжету романа считалось, что никакая жизнь на подобных планетах зародиться не может, поскольку орбита априори окажется нестабильной, и планета будет то и дело выскальзывать из зоны обитаемости, чрезмерно приближаясь к звезде. Тем не менее, орбита Соляриса оставалась на безопасном отдалении от звезды – очевидно, потому, что разумный океан сам ее корректировал.

В реальности падение планет на звезду и постепенная дезинтеграция в хромосфере оказывается распространенным явлением, но систематически исследовать его начали буквально в последние годы. Дело в том, что при сгорании планеты в обычной звезде или в белом карлике можно произвести спектральный анализ ее минералов. Кроме того, приливные силы могут разорвать планету, оставив на ее месте компактный рой твердых фрагментов – и в результате также могут образовываться необычные небесные тела, отсутствующие в Солнечной системе. Это новое научное направление, условно именуемое «некропланетологией», зародилось в «Центре изучения экзопланет и их обитаемости» при университете Уорика в британском Ковентри, при участии американских специалистов из Колорадо и Калифорнии – и сейчас только начинает разрабатываться.

WD 1145+017 и другие

В 2015 году внимание астрономов привлек WD 1145+017 ^[3] — белый карлик, расположенный в созвездии Девы на расстоянии около 570 световых лет от Солнца. Ранее это была оранжевая звезда спектрального класса F0, затем пережившая стадию красного гиганта, и в настоящий момент находящаяся на завершающей стадии эволюции. Транзитные события ^[4] показали, что у WD 1145+017 есть как минимум одна планета, что само по себе показалось удивительным: ведь на этапе разбухания звезды, когда она становится красным гигантом, атмосфера звезды должна распространяться как раз на ближайшие каменные планеты и сжигать их. Но оказывается, что планеты каким-то образом переживают как такое разбухание звезды, так и сверхновые события, оставаясь на орбите белого карлика.

В том же 2015 году пользовалась особым вниманием знаменитая звезда Табби ^[5], расположенная в созвездии Лебедя на расстоянии 1480 световых лет от Земли. Были замечены быстрые беспорядочные перепады ее светимости, что позволило Табите Бояджян, в честь которой эта звезда и названа, предположить, что мы наблюдали, как вокруг этой звезды возводится сфера Дайсона ^[6]. Тем не менее, более правдоподобным и обоснованным представляется иное объяснение, подводящее нас к теме этой статьи: возможно, на небольшом расстоянии от звезды находится пояс астероидов, либо остатки планеты, разорванной приливными силами светила – что и порождает целый рой транзитных событий. На Хабре есть подробный и объективный материал ^[7] о звезде Табби, к которому отсылаю вас за подробностями.

Эти наблюдения привели к открытию экзотической группы звезд, объединенных аббревиатурой PWD (polluted white dwarfs, «загрязненные белые карлики»). Это белые карлики, поглотившие как минимум одну свою планету — и сравнительно недавно, так как нетипичные для звезд элементы-металлы четко прослеживаются в верхних слоях их атмосфер. В Википедии перечислены ^[3] числобуквенные названия этих звезд, которые хорошо смотрелись бы в качестве порождений генератора паролей: DSS J104341.53+085558.2 (SDSS J1043+0855), SDSS J122859.92+104033.0 (WD 1226+110), SBSS 1536+520 (WD 1536+520), GD 40, SDSS J073842.56+183509.6 (SDSS J0738+1835).

Вот как может выглядеть планетная система такого белого карлика (вернее, ее остатки):

Здесь AU = астрономическая единица, равная расстоянию от Солнца до Земли, 150 000 000 км. В этой системе сохранились и реликтовая планета на расстоянии нескольких AU от звезды, и при этом – газопылевой аккреционный диск и планетезимали. Такое сочетание до недавнего времени показалось бы парадоксальным, так как и аккреционные диски, и планетезимали характерны как раз для очень молодых звезд, вокруг которых только формируются планетные системы ^[8]. Но здесь происхождение таких ювенильных черт умирающей планетной системы должно быть связано с тем, что ближайшие к белому карлику планеты разрушились под действием приливных сил и частично осели в его атмосфере. В статье ^[9] 2019 года, опубликованной в журнале «Science», приводится сравнительное содержание различных элементов в телах Солнечной системы и в некоторых из вышеупомянутых PWD: 

Обратите внимание на содержание элементов в Земле, Меркурии и двух PWD с правого края. Меркурий изобилует железом; он должен быть похож по составу на те каменные планеты, которые могли распылиться в атмосферах белых карликов. При этом, данная схема упрощена: в WD 1145+017 также были обнаружены титан, марганец, хром, никель, кобальт, ванадий, медь и стронций, не оставляющие сомнения во вторичном загрязнении звезды остатками планет. Соответственно, спектральный анализ таких звезд позволяет судить не столько о составе (не)типичного белого карлика, сколько о геологическом составе экзопланет, который иным способом не проанализировать. Фактически, мы имеем дело со спектральным постмортемом ^[10] скалистых планет и астероидов, поэтому новое научное направление и получило криповатое наименование «некропланетология». Первые же открытия в некропланетологии весьма озадачивают, поэтому далее разберем эту дисциплину немного подробнее. 

Введение в некропланетологию

После того, как скалистые планеты в Солнечной системе сформировались из планетезималей, в молодых планетарных телах началась стратификация веществ. Железо и сидерофильные элементы ^[11] (кобальт, никель, осмий, иридий, платина и пр.) сосредоточились ближе к центру расплавленного тела, образовав железное ядро, а над ними расположились более легкие породы, богатые кремнием – из них состоит мантия. В Солнечной системе подобное формирование ядра происходило даже в совсем небольших планетезималях, диаметром около 10 км. Планеты земной группы, как более крупные тела, сложившиеся в результате многочисленных столкновений и слияния планетезималей, также обладают корой, расположенной над мантией. Основные компоненты земной коры – гранит (состоящий на 68-70% из оксида кремния и на 10-15% из оксида алюминия) и базальт (около 50% оксида кремния, 15% оксида алюминия, некоторое содержание оксидов кальция, магния и щелочных металлов). Таким образом, состав первичных планетезималей в системе молодой звезды (реликты таких планетезималей в пределах нашей системы – это кометы и метеориты) и в системе белого карлика должен сильно отличаться. «Молодые» первичные планетезимали являются недифференцированными и содержат большое количество разнообразного льда, а вторичные планетезимали — дифференцированными. Вторичные планетезимали должны содержать либо повышенный процент железа, если образовались из планетарного ядра, либо повышенный процент кремния и магния, если образовались из континентальной коры.

Поскольку абсолютное большинство элементов присутствуют в коре и в мантии не в самородном виде, а в оксидах, важным показателем в некропланетологии является летучесть кислорода (oxygen fugacity). Чем выше этот показатель, тем вероятнее, что в звезде недавно сгорела планета с развитой корой, подобная Венере или Земле, а не железистое тело, подобное Меркурию. Вот как из оксидов железа образовались нижние слои земной коры, состоящие из оливина, пироксена и содержащие включения шпинели:

Но спектральный анализ загрязненных белых карликов пока не позволяет обнаружить в них следов оливина, базальта или гранита. Спектральные линии указывают на обилие кальция, магния и кремния; то есть, в белых карликах горели вторичные планетезимали, богатые кварцем и периклазом ^[12], а не пироксеном и оливином. Но и это лишь приближение; более точные геологические модели наводят на мысль ^[13], что сгоревшие планеты не были похожи на те, что существуют в Солнечной системе. В них не наблюдается никаких следов континентальной коры (скорее, наблюдается «вязкая внешняя мантия»), а для минералов, из которых они состоят, приходится придумывать названия, например, «кварцевые пироксениты» и «периклазовые дюниты».  

Горячие нептуны

К настоящему времени очевидно, что по геологическому и атмосферному строению экзопланеты значительно разнообразнее, чем планеты, присутствующие в Солнечной системе. Сформирована следующая классификация ^[14], согласно которой по размеру и структуре большинство планет относится к трем типам: «земля», «гигант» или «нептун», а по расстоянию от светила и, соответственно, по температуре — к «горячим», «очень теплым», «теплым», «прохладным», «холодным», «очень холодным» и «ледяным».   

На этой схеме хорошо заметна так называемая «нептунианская пустыня ^[15]»: в непосредственной близости от родительских звезд встречаются газовые гиганты, сопоставимые по размерам с Юпитером, но почти отсутствуют планеты, близкие по размеру к Нептуну. На самом деле, единичные планеты в нептунианской пустыне все-таки попадаются. Например, в 2021 году примерно в 1000 световых лет от Земли обнаружена ^[16] планета NGTS-14Ab, обращающаяся вокруг красного карлика на расстоянии около 0,04 астрономической единицы от родительской звезды. В 2020 году также был обнаружен ультрагорячий нептун ^[17] LT 9779 b, совершающий оборот вокруг звезды всего за 0,79 дня. Эта звезда похожа на Солнце (желтый карлик), а сама планета в 4,6 раза крупнее Земли и в 29 раз тяжелее. По данным спектрального анализа, эта планета (как и типичный нептун) обладает водородно-гелиевой атмосферой и скалистым ядром.

Факт существования нептунианской пустыни (при наличии большого количества горячих юпитеров) сложно объяснить. Но, вполне возможно, что горячие юпитеры на самом деле образуются в аккреционном диске сравнительно далеко от звезды, примерно там, где находится наш Юпитер, а затем постепенно сдвигаются поближе к светилу. С нептунами такого процесса не происходит, а немногочисленные горячие нептуны могут возникать как раз в результате вторичной аккреции. Если сравнительно крупная скалистая планета, сравнимая по размеру с Венерой, окажется в зоне приливного разрушения, то часть ее осколков (второе поколение планетезималей) может впоследствии сконцентрироваться в железокаменное ядро, которое соберет вокруг себя некоторое количество водорода, гелия и межзвездного газа, превратившись в полноценный горячий нептун.

Заключение

Некропланетология и изучение загрязненных белых карликов ценны, прежде всего, как диагностические методы, помогающие конкретизировать состав скалистых планет и вывести закономерности их формирования. Кроме того, эти методы позволяют объяснить наличие нептунианской пустыни и редкость горячих нептунов – газовых планет-субгигантов, находящихся на близких околозвездных орбитах. Пока рано выводить некие «общие тенденции» на основе этих наблюдений, поскольку найдено очень мало как загрязненных белых карликов, так и горячих нептунов, но изложенная картина наводит на подозрения, что сравнительно немногие экзопланеты могут обладать полноценной корой (континентальной и океанической), а тем более – тектоникой плит. Кстати, и в Солнечной системе тектоника плит за пределами Земли пока нигде не обнаружена. Возможно, экзопланеты существенно отличаются от Земли именно в геологическом отношении, и их поверхность ближе по составу к земной мантии, а не к земной коре. Более того, планеты-суши могут оказаться распространены значительно меньше, чем планеты-океаны или планеты-циклоны, где жидкие или газообразные оболочки плотно укутывают небольшое железокаменное ядро, сложившееся из планетезималей.

Может быть, нам пока просто не хватает разрешающей способности имеющихся спектрометров, чтобы уловить в атмосферах звезд признаки сгорания хорошо знакомых нам базальта, гранита и оливина. Но подозреваю, что при переходе от количественного накопления каталогов экзопланет к качественному анализу этих тел (начало которому положено некропланетологией) мы должны будем в первую очередь обратить внимание, а есть ли на этих планетах в пределах досягаемости железо, медь и другие привычные нам металлы (не говоря уж об Урановой Голконде ^[18]), гейзеры, вулканы и, соответственно, хотя бы призрачные шансы на возникновение теплого дарвиновского пруда.