Образование планет в двойных звездных системах — это довольно интересная проблема, которой люди интересовались на протяжении последних 30 лет. Наблюдательные проявления таких систем стали появляться практически с тех самых пор, когда мы стали открывать планеты вокруг звезд. Первая планетная система в двойной звезде была обнаружена в 2003 году. Это система гамма Цефея. Оказалось, что это была на самом деле система, в которой очень давно, еще в конце 80-х годов, подозревали наличие планет. Но потребовались долгие наблюдения, прежде чем наличие этой планеты было действительно подтверждено.

Мы знаем, что примерно половина звезд во Вселенной находится в двойных системах, поэтому понимание того, как планеты образуются вообще во Вселенной, не может обойтись без понимания того, как планеты возникают вокруг или внутри двойных систем.

Существует два типа двойных звездных систем, которые могут содержать планеты. Первый тип довольно простой — это когда у вас планеты обращаются вокруг одного компонента двойной звездной системы: есть одна звезда, а вокруг нее движутся планеты, а на гораздо большем расстоянии вокруг этой звезды обращается еще и другая звезда. Такой системой является система гамма Цефея, которая, как я уже говорил, была открыта первой.

Рекомендуем по этой теме:
6477
Свойства двойных звезд
Также вполне возможно, что такой системой является одна из наиболее близких к нам звезд — альфа Центавра, двойная звезда с расстоянием между звездами порядка 20 астрономических единиц — это двадцать расстояний между Землей и Солнцем. Звезды движутся друг вокруг друга по довольно вытянутым орбитам. Мы называем такие орбиты эллиптическими. И эксцентриситет — степень вытянутости орбиты — порядка 0,5, довольно большой эксцентриситет. Примерно пару лет назад было обнаружено, что вокруг одной из звезд этой системы, возможно, обращается планета с массой порядка массы Земли. Период этой планеты около трех дней, и если наблюдатели не ошиблись, то это будет важным открытием планеты вокруг звездной системы, одной из наиболее близких к нам.

В настоящее время мы знаем, что примерно 20% планет, открытых, например, с помощью доплеровских поисков и других способов обнаружения планет, находятся в двойных системах. В основном эти системы довольно широкие, то есть расстояния между звездами могут составлять сотни или даже тысячи астрономических единиц. В этом случае наличие двойного компаньона, дополнительной звезды, не оказывает никакого влияния на образование планет вокруг одной из звезд. В этом случае такие системы не очень много дают нам по отношению к обычным системам вокруг одиночных звезд.

Но есть пять-шесть систем, в которых планеты обращаются внутри компактных двойных систем. Все эти двойные системы имеют расстояние между звездами порядка 20 астрономических единиц — это примерно расстояние между Солнцем и Ураном в Солнечной системе. Все эти двойные звездные системы движутся по довольно вытянутым орбитам, и это имеет большое значение для понимания того, как планеты в них образуются.

Другой тип двойных звездных систем, в которых могут присутствовать планеты, — это так называемые планеты типа Татуина. Те, кто когда-либо смотрел «Звездные войны» (это всем известная фантастическая сага Джорджа Лукаса), возможно, помнят, что в одном из первых эпизодов присутствовала сцена, когда Люк Скайуокер, один из главных героев, идет по поверхности планеты, на которой он вырос. Планета эта называется Татуин, и видно, что эта планета обращается вокруг двойной звезды, потому что на небе мы видим одновременно две тесно расположенные звезды.

Примерно в 2011 году космический телескоп «Кеплер», который фотометрическим образом обнаруживает планеты вокруг других звезд, нашел первый пример такой системы типа Татуина. Это система, в которой две звезды находятся на достаточно небольшом расстоянии друг от друга, порядка 0,2 астрономических единиц, то есть это очень компактная двойная система, и расстояние соответствует примерно половине расстояния между Солнцем и Меркурием. И опять-таки звездные системы имеют определенный эксцентриситет. По наблюдениям периодических затмений, которые возникают в такой системе, когда планета проходит по диску обеих звезд, было выяснено, что действительно существуют такие системы, в которых планеты обращаются вокруг звезды. И во всех системах, которые были открыты «Кеплером» до сих пор, — а таких систем сейчас известно около десяти — плоскость орбиты планеты и плоскость орбит обеих звезд практически совпадают с точностью до 2–3 градусов. Это и позволяет нам видеть затмения обеих звезд планет, которые обращаются вокруг них.

Рекомендуем по этой теме:
9628
Как открыли экзопланету Kepler-186f?

Наш интерес в связи с этими системами связан с тем, что сложно понять, как такие системы в двойных звездах могут образовываться. Дело в том, что обычная теория образования планет практически постулирует, что планеты должны образовываться в тепличных условиях, когда динамические условия, то есть то, как составляющие компоненты системы движутся, благоприятствуют образованию все больших и больших объектов.

Обычно считается, что рост планет — как планет земной группы, так и планет-гигантов — состоит в том, что изначально вы образуете так называемые планетезимали — это тела размером порядка одного или нескольких километров, которые могут взаимно гравитационно притягивать друг друга, сливаться во взаимных столкновениях и расти по массе и размеру. По мере того как они растут, они сначала образуют ядра обычных планет типа Земли, и потом, возможно, эти ядра набирают все больше и больше газа и превращаются в планеты-гиганты. Это стандартный путь.

Эта картина сталкивается с большими трудностями в случае двойных систем, поскольку сам рост этих планетезималей оказывается сильно затруднен. Трудности возникают из-за того, что в системе присутствует сильное гравитационное возмущение, связанное с наличием двойного компонента. В случае того, когда планеты обращаются вокруг одной звезды, эти возмущения внешние. Они создаются внешней двойной звездой, обращающейся вокруг всей системы, и это приводит к тому, что орбиты планетезималей сильно вытягиваются, начинают пересекаться и планетезимали сталкиваются с очень высокими скоростями. Типичные скорости столкновения могли быть в стандартной картине порядка нескольких километров в секунду. Когда тела размером около одного километра сталкиваются с такими скоростями, они полностью разрушаются. Происходит полнейшая фрагментация, вместо того чтобы происходил рост, то есть возникает фрагментационный барьер на пути роста и образования все более и более массивных тел в системе.

Эта проблема была осознана примерно пятнадцать лет назад, и, к сожалению, долгое время не существовало никаких методов ее решения. И само существование этой проблемы помогает нам понять, что делает планетные системы вокруг двойных звезд такими необычными.

По сути, эти системы — экстремофилы. Обычно экстремофилами мы называем какие-то живые микроорганизмы, которые живут в экстремальных условиях, например во льду Антарктики или в гидротермических источниках на дне океана на глубине в несколько километров, где очень высокие температуры и давление. То, что эти живые микроорганизмы могут выживать в таких чудовищных условиях, очень много говорит нам о работе эволюции на Земле.

В случае с планетными системами в таких двойных звездах мы можем сказать то же самое. Существование планет говорит нам о том, что процесс образования планет каким-то образом способен приспособиться к наличию таких сильных динамических возмущений в системе. И если мы не сможем с помощью обычной, стандартной теории объяснить, как такие системы образуются, это намекает нам на то, что необходимы какие-то новые идеи, для того чтобы объяснить существование планет в этих двойных системах. И соответственно, если у нас возникают такие новые идеи, то логично предположить, что они могут работать и для образования планет вокруг обычных, одиночных звезд. Поэтому очень важно понять, можем ли мы объяснить существование планет в двойных звездах стандартными способами или нам нужно изобретать что-то совершенно новое.

В последние годы возникло более четкое понимание того, что существуют определенные аспекты образования планет в двойных системах, которые обычная, стандартная теория не учитывала. Один из основных аспектов — это гравитационное возмущение протопланетного диска, в котором эти планетезимали и растут. Оказывается, что для того, чтобы сформировать планеты-гиганты, которые мы видим в этих двойных звездных системах с помощью «Кеплера» и доплеровских технологий, нам необходимо, чтобы у нас система изначально была массивной, чтобы протопланетный диск был очень тяжелый. В случае если у вас есть тяжелый протопланетный диск, оказывается, что его гравитационное влияние на движение планетезимали гораздо более важно, чем влияние удаленного звездного компаньона в системе. И в таком случае оказывается, что введение нового гравитационного возмущения (это гравитационное возмущение за счет диска) на самом деле подавляет ту нерегулярность, тот хаос, который возникал в движении планетезималей. В итоге оказывается, что относительные скорости планетезималей сильно понижаются и они могут сталкиваться с достаточно небольшими скоростями. Это, естественно, очень сильно облегчает процесс их роста и позволяет преодолеть тот фрагментационный барьер, о котором я упоминал выше.

Рекомендуем по этой теме:
121657
5 мифов о гравитации

В последние годы более подробные исследования идеи того, что гравитационное возмущение протопланетного диска играет большую роль, получили дополнительный, несколько неожиданный толчок в новом направлении. Мы поняли, в основном с помощью компьютерных исследований, что сами протопланетные диски также могут довольно сильно возмущаться наличием звездных компаньонов. И когда у вас возникает такой сильно возмущенный диск неправильной формы, это на самом деле приводит к возникновению дополнительных гравитационных возмущений, которые действуют на движение планетезималей, и приводит нас к существованию фрагментационной проблемы, к существованию этого барьера, к росту планетезималей.

Тем не менее более детальные исследования показывают, что, по-видимому, в определенных условиях, когда у нас имеется очень массивный диск, ориентированный определенным образом внутри или вокруг этих двойных систем (в случае планет вроде Татуина), рост планетезималей и конечное образование планет в них тем не менее возможны. Но все-таки окончательный ответ на этот вопрос может быть дан только с помощью более сложных, более детальных исследований, которые могут пролить свет на весь процесс роста объектов, начиная с размеров порядка нескольких сотен метров и заканчивая размерами порядка 10 000 километров. Это размеры, на которых начинается аккреция газа и могут образовываться планеты-гиганты.

Таким образом, на мой взгляд, вопрос о том, нужна ли нам новая физика для объяснения существования планет в двойных системах, до сих пор остается открытым.