Астрономите са открили хиляди екзопланети около единични звезди, но много малко около двойни звезди – въпреки че и двата вида звезди са еднакво често срещани. Сега физиците обясняват защо е така.
От над 4500 звезди, за които е известно, че имат планети, се откроява една озадачаваща статистика. Въпреки че се очаква почти всички звезди да имат планети и повечето звезди се образуват по двойки, планетите, които обикалят около две звезди, са рядкост.
От над 6000 потвърдени до момента екстрасоларни планети или екзопланети – повечето от които са открити от космическия телескоп Кеплер на НАСА и спътника за изследване на транзитиращи екзопланети (TESS) – само 14 са наблюдавани в орбита около двойни звезди. А трябва да има стотици. Къде са всички планети с две слънца, като Татуин в "Междузвездни войни"?
Астрофизици от Калифорнийския университет в Бъркли и Американския университет в Бейрут сега показват каква е причината за този недостиг на циркумбинарни (на орбита около двойна система звезди) екзопланети – и за това е виновна Общата теория на относителността на Айнщайн.
В повечето двойни звездни системи звездите имат сходни, но не идентични маси и обикалят една около друга в елиптична орбита. Ако планета обикаля около двойка звезди, гравитационните сили на звездите карат орбитата на планетата да прецесира, което означава, че орбиталната ос се върти подобно на начина, по който оста на въртящ се пумпал се върти или прецесира в земната гравитация.
Разлики в нютоновата и айнщайновата орбита. Това е само груба схема, показваща, че айнщайновата орбита би прецесирала, докато идеалната нютонова орбита не би. Всъщност, айнщайновата прецесия не би била синхронизирана с орбиталното завъртане, както е показано тук, и прецесията за реални обекти е изключително бавна. За класическия случай, планетата Меркурий, нютоновата физика вече предсказва по-голямата част от прецесията на орбитата в резултат на взаимодействието на Меркурий с другите планети; айнщайновият ефект е само малко смущение от тази прецесия. Кредит: Wikimedia Commons
Орбитата на двойните звезди също е в прецесия, но главно поради Общата теория на относителността. С течение на времето приливните взаимодействия между двете звезди свиват орбитата, което има два ефекта: скоростта на прецесия на звездите се увеличава, но скоростта на прецесия на планетата се забавя. Когато двете скорости на прецесия съвпадат, те резонират, орбитата на планетата силно се издължава като се отдалечава все повече от звездната двойка, но също така и става все по-близо до тях в точката на максималното си приближение.
"Могат да се случат две неща: или планетата се приближава много, много близо до двойната система, претърпявайки приливно разрушаване или бива погълната от една от звездите, или орбитата ѝ се променя значително от двойната система и в крайна сметка да бъде изхвърлена от нея", обяснява Мохамад Фархат (Mohammad Farhat), постдокторант в Калифорнийския университет в Бъркли и първи автор на статията. "И в двата случая планетата се губи."
Поетапно обяснение защо планетите, които обикалят около двойна звезда, в крайна сметка навлизат в нестабилна орбита и изчезват от системата. Кредит: Mohammad Farhat/UC Berkeley
Това не означава, че двойните звезди нямат планети, предупреждава физикът. Но единствените, които оцеляват след този процес, са твърде далеч от звездите, за да ги открием с техниките за транзит, използвани от Кеплер и TESS.
"Със сигурност има планети там някъде. Просто е трудно да се открият със сегашните инструменти", каза съавторът Джихад Тума (Jihad Touma), професор по физика в Американския университет в Бейрут.
Те публикуват своите открития на 8 декември в The Astrophysical Journal Letters.
"Абсолютна пустиня"
Както мисиите "Кеплер", така и мисиите "ТЕСС" търсят екзопланети, проследявайки леко потъмняване на някоя звезда, докато пред нея преминава планета. Но "Кеплер" открива и около 3000 потъмняващи двойни звезди, докато едната от двойката звезди преминаваше пред другата. Тъй като около 10% от единичните звезди, подобни на Слънцето, имат масивни планети, астрономите са очаквали да видят големи планети и около 10% от двойните звезди – или около 300 звезди. Вместо това са открити само 47 кандидат-планети около двойни звезди и само 14 от тях са потвърдени като транзитни циркумбинарни планети.
Нито една от тези 14 екзопланети не се среща около плътни двойни системи, които обикалят една около друга за по-малко от седем дни.
"Като цяло има недостиг на циркумбинарни планети и е абсолютна пустиня около двойните системи с орбитален период от седем дни или по-малко", отбелязва Фархат. "По-голямата част от потъмняващите двойни системи са плътни двойни системи и са точно системите, около които най-много очаквахме да открием транзитиращи циркумбинарни планети."
Художествено изображение на планета, обикаляща около двойна звезда. Тук звездите имат коренно различни маси и докато обикалят една около друга, те дърпат планетата по начин, който кара орбитата на планетата бавно да се върти или прецесира. Въз основа на динамично моделиране, релативистичните ефекти карат орбитата на двойната звезда също да прецесира. С течение на времето скоростите на прецесия се променят и, ако се синхронизират, орбитата на планетата става изключително ексцентрична. Това кара планетата или да бъде изхвърлена от системата, или да бъде погълната от една от звездите. Кредит: NASA/Goddard Space Flight Center
Фархат посочва, че двойните звезди имат зона на нестабилност около себе си, в която никоя планета не може да оцелее. В тази зона, взаимодействията между двете звезди и планетата (задачата от трите тела) или изхвърлят планетата от системата, или я привличат достатъчно близо, за да се слее със звездите или да бъде разкъсана от тях. Странно е, че 12 от 14-те известни транзитни екзопланети около плътни двойни звезди са точно отвъд ръба на зоната на нестабилност, където очевидно са мигрирали от по-далеч, тъй като планетите биха имали трудности с формирането им там.
"Планетите се образуват отдолу нагоре, чрез слепване на малки планетизимали (протопланети). Но образуването на планета на ръба на зоната на нестабилност би било като опит за слепване на снежинки в ураган", обяснява Фархат.
Художествено изображение на екзопланета 2M1510 (AB) b, подобна на Татуин. Перпендикулярната орбита на планетата около нейните слънца е нова за науката. Кредит: ESO/L. Calçada
Фархат преди това е сътрудничил с Тума върху формирането и еволюцията на планетарните орбити в различни звездни системи, включително нашата. Но Тума също така е имал интерес към орбитите на двойните черни дупки и двойните звезди. Преди 10 години той осъзнава, че Общата теория на относителността би трябвало да повлияе на начина, по който планетите се движат около двойните звездни системи, но не знаел дали ефектът е достатъчно силен, за да има значение. След като се задълбочил в екзопланетите обаче, той предположил, че фините тласъци и привличания от теорията на относителността – комбинирани с бавно приближаващите се спираловидно звезди – биха могли да обяснят мистерията на липсващите планети около плътните двойни системи.
Използвайки математически и компютърни модели, Фархат и Тума установяват, че Общата теория на относителността има драматичен ефект върху съдбата на планетите, обикалящи циркумбинарни системи, като ефективно премахва всички близки планети. Според техните изчисления, ефектите на Общата теория на относителността биха нарушили осем от всеки 10 екзопланети около двойни системи с плътни орбити, а от тях 75% биха били унищожени в процеса.
Художествено изображение на планета, обикаляща около двойка звезди - така наречената двойна звездна система. Кредит: NASA/JPL-Caltech
Прецесията на орбитата на Меркурий
Предложена от Алберт Айнщайн през 1915 г., Общата теория на относителността интерпретира гравитацията като изкривяване на тъканта на пространство-времето от маса, аналогично на начина, по който човек на батут изкривява повърхността и кара други обекти на батута да падат навътре. Орбитата на Меркурий се оказва най-близо до гравитационното изкривяване на Слънцето и в резултат на това претърпява орбитална прецесия, малко по-висока от предвидената от по-ранната теория на гравитацията, изложена от Исак Нютон. Общото релативистично обяснение за допълнителната прецесия на орбитата на Меркурий преди повече от век е първото потвърждение на теорията на Айнщайн.
Същият ефект се проявява, когато два обекта се приближат един до друг, например плътно свързани двойни звезди. Двойните звезди вероятно започват живота си далеч една от друга, но тъй като взаимодействат с околния газ по време на формирането на звездната си система, се прогнозира, че много двойки ще се приближат една към друга в продължение на десетки милиони години. Когато това се случи, те генерират приливи и отливи една към друга, а те бавно, в продължение на милиарди години, свиват орбитата си още повече.
В крайна сметка, тъй като периодите им се стесняват до около седмица или по-малко, общорелативистичната прецесия става все по-важна. Това кара орбитата да прецесира, което означава, че точката на най-голямо приближаване, или периастрон, също се върти. С приближаването на звездите една към друга, скоростта на прецесията се увеличава.
Една циркумбарна екзопланета има и прецесия на елиптичната си ос, в този случай поради гравитационното привличане на двете звезди – строго Нютонов процес. Въпреки това, с приближаването на двойните звезди една към друга, тяхното смущение върху планетата постепенно отслабва и прецесията се забавя.
С увеличаването на орбиталната прецесия на двойните звезди и намаляването на тази на екзопланетата, в даден момент те съвпадат и влизат в състояние на резонанс. В този момент, показват изчисленията, орбитата на екзопланетата започва да се удължава, отдалечавайки я от двойната система в крайната точка на орбитата ѝ, но по-близо до нея в периастрона.
Прецесията на орбитата на Меркурий. Кредит: Wikimedia Commons
Когато периастронът навлезе в зоната на нестабилност, екзопланетата или бива изгонена в далечните краища на системата, или се приближава твърде близо до двойната система и е погълната. Тъй като това разрушаване се случва бързо, само за няколко десетки милиона години в рамките на многомилиардния живот на една звезда, екзопланетите около плътните двойни системи се оказват много редки.
"Орбитата на планета, попаднала в резонанс, се деформира до все по-високи и по-високи ексцентричности, прецесирайки все по-бързо и по-бързо, като същевременно остава в хармония с орбитата на двойната система, която се свива", разказва Тума. "И по пътя си тя среща тази зона на нестабилност около двойните системи, където се задействат ефектите на задачата за трите тела и гравитационно се изчистват зоната."
Така, по естествен начин, двойните системи с орбитален период под седем дни, елиминират планетите си естествено, без да предизвикват допълнителни смущения от близка звезда или други механизми, обяснява Фархат.
Според Тума, едни и същи процеси вероятно са изчисти ли множество планети от двойните системи – особено тези, които могат да бъдат открити от Кеплер или TESS.
Изследователите използват своите модели, за да определят как ефектите на Общата теория на относителността влияят върху звездните клъстери около двойки свръхмасивни черни дупки и дали, в по-спекулативен план, Общата теория на относителността може частично да обясни липсата на планети около двойни пулсари - две въртящи се неутронни звезди в орбита една около друга и излъчващи точно определени радиоимпулси. Тази работа илюстрира важната роля, която играе революционната теория на гравитацията на Айнщайн, дори в прости системи, където се смяташе, че гравитационните закони на Нютон обясняват всичко.
"Интересното е, че почти век след изчисленията на Айнщайн, компютърните симулации показаха как релативистичните ефекти може да са спасили Меркурий от хаотично изхвърляне извън Слънчевата система. Тук виждаме свързани ефекти, които нарушават планетарните системи", коментира Тума. "Общата теория на относителността стабилизира системите по някои начини и ги нарушава по други."
Справка: Mohammad Farhat et al, Capture into Apsidal Resonance and the Decimation of Planets around Inspiraling Binaries, The Astrophysical Journal Letters (2025). DOI: 10.3847/2041-8213/ae21d8
Източник: Why are Tatooine planets rare? Blame general relativity, Robert Sanders, University of California - Berkeley
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари
Прост Човек
Последната теорема на Стивън Хокинг преобръща времето и причинността
Прост Човек
Разрязването на фотон на две създава безкраен рояк от частици
zlatkov
Учени сканират 74 милиона радиосигнала от междузвезден обект за признаци на извънземни технологии
Джендо Джедев
За срещата на Земята с Халеевата комета през 1910 г. някои са пили "противокометни хапчета"