Художественное изображение металлического ядра экзопланеты рядом с белым карликом SDSS J1228+1040.
Когда большинство звезд достигает конца своей жизни, они зажигают свой собственный погребальный костер, выбрасывая большую часть оставшегося газа в последнем великолепном проявлении своей огромной силы и оставляя после себя плотное ядро, известное как белый карлик. Но что происходит с планетами, вращающимися вокруг таких звезд? На этот вопрос было трудно ответить, но теперь ученые говорят, что обнаружили возможный остаток мира, вращающийся вокруг такой звезды — первое в своем роде открытие, которое может рассказать нам о последних днях большинства планет нашей вселенной.
«Это похоже на железное ядро, оставшееся от большой планеты, разорванной на части», — говорит Мансер. «Кора и мантия были сдуты с него. В итоге мы остались с этой железной сердцевиной, которая удерживается вместе из-за высокой внутренней прочности, а не только из-за гравитации».
Процесс эволюции звезд с разной массой. В нашем случае будет верхний вариант.
Диск мусора шириной в три миллиона километров рядом с этим белым карликом был впервые обнаружен более 15 лет назад, что сделало звезду одной из менее чем дюжины загрязненных белых карликов. Когда звезда с массой менее чем восемь солнечных истощает свое водородное топливо, ее верхние слои сильно расширяются, поглощая в процессе любые близлежащие планеты. Предполагается, что некоторые из этих миров могут быть разорваны на части, после чего их измельченные останки собираются в такой диск. И хотя на сегодняшний день открыто более 4000 экзопланет, ученые лишь однажды видели неопровержимые доказательства результата этого процесса: образование зародыша планеты (планетезимали) в диске вокруг белого карлика WD 1145+017, который был тщательно изучен в 2015 году.
В то время как эти планетарные остатки вращаются вокруг WD 1145+017 за 4.5 часа, ядро из тяжелого металла, вращающееся вокруг SDSS J1228+1040, совершает оборот менее чем за половину этого времени. Авторы нового исследования обнаружили этого плотного спутника звезды используя 10.4-метровый Gran Telescopio Canarias (GTC) на Канарских островах в двух отдельных периодах наблюдений в апреле 2017 года и в апреле и мае 2018 года. Разделив излучаемый свет белого карлика на составляющие его длины волн — подобно тому, как призма расщепляет белый свет на радугу — команда обнаружила диск и записала изменения в его цвета, которые соответствуют его орбитальному движению.
Как правило, этот метод используется для наблюдения за системами, такими как SDSS J1228, в течение долгих лет, но, изучая этого белого карлика в течение всего нескольких часов, команда обнаружила комок материала внутри диска, который продемонстрировал движение, которое было полностью его собственным. Сила этого сдвига позволила предположить, что его источником был твердый объект диаметром около 600 километров — предполагаемое планетарное ядро с плотностью от 7.7 до 39 граммов на кубический сантиметр, что сопоставимо с чистым железом, найденным в ядре Земли. «Плотность этого объекта соответствует тому, что мы считаем ядрами планет», — говорит Лука Фоссати из Австрийской академии наук, который не участвовал в работе. «Это достаточно большое тело. По сути, это подтверждает нашу идею о том, что эти диски пыли и мусора, которые вращаются вокруг некоторых белых карликов, являются [остатками] древних планет».
Моделирование планетезимали в пылевом облаке рядом с белым карликом WD 1145+017.
Сдвиг также показал, что комок вращается всего в полумиллионе километров от звезды — чрезвычайно близкое расстояние, на котором более крупные и менее плотные объекты будут растягиваться и разрываться интенсивным гравитационным полем белого карлика. Этот процесс, который астрофизики в шутку называют «спагеттификацией», является типичной судьбой всего, что попадает в область рядом с черной дырой. Но вокруг белого карлика, где гравитация не столь велика, может выжить небольшое плотное ядро из тяжелого металла. «Если у вас достаточно маленький объект, ему легче будет противостоять спагеттификации», — говорит Эндрю Вандербург из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики, который также не участвовал в работе. «Что [исследователи] обнаружили здесь, так это то, что эта планета вращается так близко к своей звезде, что она должна удерживаться вместе не только одной гравитацией».
С периодом обращения всего в 123 минуты это ядро установило новый рекорд для самого быстрого планетарного объекта, вращающегося вокруг звезды: предыдущий рекорд был за экзопланетой KOI 1843.03, которая завершает один оборот за 4.25 часа. Эта причудливая система также предоставляет уникальную научную возможность исследовать обнаженное ядро экзопланеты, хотя астрономы в настоящее время не имеют достаточно большого телескопа, чтобы непосредственно увидеть его.
Вполне возможно, что подобные объекты ждут своего открытия вокруг других белых карликов. Независимо от того, изучаете ли вы их поодиночке или в большом количестве, такие миры из тяжелых металлов могут показать нам мрачное представление о будущем нашей солнечной системы, когда у нашего Солнца закончится топливо примерно через пять миллиардов лет. По словам Сары Кейсуэлл из Лестерского университета в Англии, «это действительно захватывающе, потому что это своего рода недостающий фрагмент, если хотите, [эволюции планетарных систем]».
