04.02.2024. - Напрямую сняли две экзопланеты у белых карликов

Напрямую сняли две экзопланеты у белых карликов

Через несколько миллиардов лет наше Солнце станет белым карликом. Что произойдет с Юпитером и Сатурном, когда Солнце превратится в остаток звезды? Жизнь может продолжаться, хотя планеты-гиганты, скорее всего, будут отдаляться от Солнца. Звезды заканчивают свою жизнь по-разному. Некоторые из них встречают свой конец в виде сверхновых, катастрофических взрывов, которые уничтожают любые планеты на орбите и даже стерилизуют планеты, находящиеся на расстоянии световых лет. Но так взрываются только массивные звезды. Наше Солнце недостаточно массивно, чтобы взорваться как сверхновая. Вместо этого он проведет время как красный гигант. Фаза красного гиганта наступает, когда у звезды заканчивается водород, необходимый для термоядерного синтеза. Это сложный процесс, над пониманием которого астрономы все еще работают. Но красные гиганты выбрасывают в космос слои материала, которые светятся как планетарные туманности. В конце концов, красного гиганта больше нет, и посреди всего выброшенного материала остался лишь крошечный, но чрезвычайно плотный белый карлик.

Исследователи полагают, что вокруг некоторых белых карликов имеются диски обломков, из которых может образоваться новое поколение планет. Но исследователи также задаются вопросом, смогут ли некоторые планеты выжить, когда звезды перейдут из главной последовательности в красные гиганты и в белых карликов. Исследователи из Научного института космического телескопа, Центра космических полетов Годдарда и других учреждений обнаружили нечто похожее на две гигантские планеты, вращающиеся вокруг двух белых карликов в двух разных системах. Их исследование называется «JWST непосредственно отображает гигантские планеты-кандидаты вокруг двух загрязненных металлами звезд-белых карликов», и сейчас оно находится в препринте на arXiv. Ведущий автор — Сьюзен Маллалли, заместитель научного сотрудника проекта JWST.

Теоретическое мышление показывает, что вокруг белых карликов должны существовать экзопланеты. Внешние планеты за пределами пояса астероидов в нашей солнечной системе должны пережить переход своей звезды из главной последовательности в красный гигант и в белого карлика. Но звезды внутри этого предела будут поглощены красным гигантом по мере его расширения. В нашей Солнечной системе Солнце, скорее всего, полностью поглотит или разрушит приливно-отливную систему Меркурия, Венеры и Земли. Может быть, даже Марс. Планеты, которые переживут это, скорее всего, отойдут дальше от звезды, поскольку звезда теряет массу, а ее гравитация ослабевает во время фазы красного гиганта. Но проблема в том, что вокруг белых карликов трудно обнаружить планеты. Несмотря на целенаправленные усилия, астрономы обнаружили лишь несколько объектов планетарной массы, вращающихся вокруг белых карликов.

В настоящее время Маллалли и ее коллеги нашли две планеты-кандидаты вокруг белых карликов. Они находятся на расстоянии примерно 11,5 и 34,5 астрономических единиц от своих звезд, возраст которых 5,3 и 1,6 миллиарда лет. Если планеты столь же стары, как и звезды, то фотометрия MIRI показывает, что массы планет составляют от 1 до 7 масс Юпитера. Они могут быть ложноположительными, но вероятность того, что это так, составляет всего 1 из 3000. «Если это подтвердится, это будут первые планеты, полученные прямым изображением, которые по возрасту и расположению схожи с планетами-гигантами в нашей Солнечной системе, и они продемонстрируют, что широко разделенные планеты-гиганты, такие как Юпитер, выживают в звездной эволюции», — пишут авторы. Если исследователи правы и планеты образовались одновременно со звездами, это важный скачок в нашем понимании экзопланет и звезд, вокруг которых они вращаются. Это также может иметь последствия для жизни на любых лунах, которые могут вращаться вокруг этих планет.

Но это открытие связано с другой проблемой, связанной с белыми карликами: металличностью белых карликов. Некоторые белые карлики, по-видимому, загрязнены металлами, элементами тяжелее водорода и гелия. Астрономы полагают, что эти металлы происходят из астероидов в поясе астероидов, возмущенных и посланных в белый карлик планетами-гигантами. «Подтверждение этих двух кандидатов на планеты с помощью будущих изображений MIRI предоставит доказательства, которые напрямую связывают планеты-гиганты с металлическим загрязнением звезд белых карликов», — пишут авторы. Астрономы обнаружили, что до 50% изолированных белых карликов с водородной атмосферой содержат металлы в фотосферах, поверхностном слое звезд. Эти белые карлики, должно быть, активно аккумулируют металлы из своего окружения. Излюбленным источником этих металлов являются астероиды и кометы. «В этом сценарии планеты, пережившие фазу красного гиганта, время от времени возмущают орбиты астероидов и комет, которые затем падают в сторону WD», — пишут авторы.

Астрономы изо всех сил пытались найти планеты вокруг WD. Основные методы поиска планет вокруг белых карликов не очень эффективны. Метод транзита, используемый Кеплером и TESS, неэффективен, поскольку WD очень маленькие и тусклые. Другой метод — метод лучевых скоростей. Он чувствует, как звезда колеблется под влиянием планеты. Он измеряет изменение спектра звезды из-за колебания. Однако спектры WD практически невыразительны, что затрудняет обнаружение радиальных изменений. Но теперь у нас есть JWST. «Инфракрасные возможности JWST дают уникальную возможность напрямую получать изображения планет массой Юпитера, вращающихся вокруг близлежащих WD», — пишут исследователи в своей статье. JWST достаточно мощный, чтобы напрямую получать изображения больших планет вокруг крошечных звезд без использования коронографа, если планеты находятся достаточно далеко от звезды. «Воспользовавшись превосходным разрешением JWST, можно напрямую получить изображение планеты на расстоянии всего лишь нескольких а.е. от близлежащих WD без использования коронографа», — объясняют Маллалли и ее коллеги.

Частью усилий в этой работе является выявление точечных источников. В астрономии точечный источник — это единственный идентифицируемый источник света. Его противоположностью является разрешенный источник или расширенный источник. Исследователи должны были быть уверены, что то, что они видят вокруг белых карликов, является точечными источниками, которые в данном случае, скорее всего, являются планетами. «Мы ожидаем, что они будут выглядеть как точечные источники, яркость которых увеличивается на более длинных волнах», — пишут они. Чтобы определить, является ли то, что они видят, точечными источниками, астрономы используют процесс, называемый эталонной дифференциальной визуализацией. Это сложная процедура, но по сути она включает в себя вычитание источников из изображений. Это особенно эффективно при поиске планет, близких к звездам. На рисунке выше показано, как команда работала с изображениями, вычитая белый карлик и планеты-кандидаты и идентифицируя планеты как точечные источники. «В обоих случаях кандидат удаляется безошибочно, что указывает на то, что он является точечным источником», — пишут авторы. Исследователи исследовали четыре отдельных белых карлика, и только у двух из них есть кандидаты в экзопланеты.

«В случае подтверждения эти два кандидата на планеты предоставят конкретные наблюдательные доказательства того, что внешние планеты-гиганты, такие как Юпитер, переживают эволюцию звезд малой массы», — пишут авторы. Подтверждение также поддержит идею о том, что 25–50% белых карликов содержат большие планеты. Это большой шаг вперед в понимании. Но эти результаты, к сожалению, не могут ответить на другой вопрос: ответственны ли большие планеты за попадание обломков на поверхность белых карликов? «Однако подтверждения существования этих планет недостаточно, чтобы полностью подтвердить, что планеты-гиганты большой массы являются движущей силой аккреции без дальнейших наблюдений», — пишут Маллалли и ее соавторы. Ответ на этот вопрос можно получить только при наблюдении большего количества белых карликов, особенно с помощью JWST. Надеюсь, нам не придется долго ждать.

Источник