Планеты вокруг красных гигантов

https: //postnauka. ru/video/94821

< iframe height=" 439" src=" https: //www. youtube. com/embed/hIOq96pYG3E" title=" YouTube video player" frameborder=" 0" allow=" accelerometer; autoplay; clipboard-write; encrypted-media; gyroscope; picture-in-picture" allowfullscreen> < /iframe>

Включите JavaScript в браузере или посмотрите видео на странице www. youtube. com.

Планеты вокруг красных гигантов

СЕРГЕЙ ПОПОВ

Астрофизик Сергей Попов об изменении орбит при эволюции звезды, образовании планетной системы и поглощении красным гигантом своих спутников.

Известно несколько тысяч экзопланет — планет, обращающихся вокруг других звезд. Мы знаем, что в процессе своего образования планетные системы претерпевают бурную эволюцию: планеты могут сближаться, забирать спутники друг у друга, сталкиваться, мигрировать в диски, подходить ближе к звезде, отходить дальше от звезды. Все эти процессы происходят, пока есть протопланетный диск и много мелких тел, которые часто называют планетезималями. Пока есть эти мелкие тела, большие планеты могут обмениваться с ними энергией, орбитальным моментом и менять свои орбиты.

Проходит несколько сотен миллионов лет — газовый диск, который живет пару миллионов лет, и мелкие тела рассеялись. Планеты заняли свои более или менее стационарные орбиты, и теперь, как это происходит и в нашей Солнечной системе, они в течение долгого времени могут существовать на своих орбитах. Бывают исключения: если одна из планет крутится по очень вытянутой орбите, она будет испытывать мощные воздействия своих соседей. Планеты могут немного смещаться и оказываться в резонансе друг с другом, периоды их обращения соотносятся как целые числа, и это может раскачать орбиту одной из планет.

В целом, если планеты достаточно далеко находятся от своей звезды, ничего с ними не происходит. Если звезда достаточно легкая, на миллиарды лет эволюция в этой планетной системе замирает, и планеты живут своей жизнью. На каких-то может зародиться жизнь, а те, кому не повезло, остаются безжизненными, но тоже могут меняться. Например, Плутон в Солнечной системе меняет свой рельеф, несмотря на то что казалось, что это мертвая планета.

Планетная система застыла в некотором квазистационарном состоянии, но со временем эволюционирует сама звезда. В определенный момент со звездой начнут происходить очень значительные, мощные пертурбации. Если мы говорим о звезде вроде Солнца, то судьба ее такова: она живет на главной последовательности, на самой длинной стадии эволюции звезды, пока перегорает водород в ее ядре. Со временем водород заканчивается и превращается в гелий, тогда звезда уходит с главной последовательности. Ядро начинает сжиматься и нагреваться, на границе ядра, где в оболочке еще остался водород, повышается температура, повышается плотность. В какой-то момент на границе ядра создаются условия для термоядерных реакций, загорается водород — слоевой источник. Энерговыделение в слоевом источнике очень большое, и в этот момент звезда начинает превращаться в красного гиганта. У нее появляется огромная конвективная оболочка, она резко увеличивает свой радиус, и ее светимость возрастает. В этот момент с планетной системой начнут происходить интересные, а иногда печальные вещи.

Звезда расширяется: радиус Солнца, например, увеличится примерно с 700 тысяч до 150 миллионов километров. Это означает, что часть планет окажется поглощенными звездой. В случае Солнечной системы это произойдет с Меркурием и Венерой, до Земли поверхность Солнца не доберется. Казалось бы, мы спаслись, но на самом деле нет, потому что у красных гигантов существуют мощные конвективные оболочки. Планета, обращаясь вокруг звезды, возбуждает приливы в конвективной оболочке, энергия диссипирует, и звезда подтягивает планету к себе. Таким образом, красные гиганты эффективно подтягивают приливными силами близкие планеты, которые приближаются к красному гиганту и попадают внутрь. Скорее всего, Земля окажется внутри красного гиганта из-за действия приливных сил.

C самыми внутренними планетами более или менее понятно: они будут поглощены своей звездой за счет ее расширения или за счет приливных сил. Что будет с более далекими планетами? На них будет действовать эффект потери массы. Звезда и на главной последовательности теряет массу: водород превращается в гелий, энергии излучаются, звезда становится легче. Еще от звезд дует звездный ветер, его скорость в смысле потери массы измеряется в граммах в секунду или в массах Солнца в год. На стадии красного гиганта скорость потери вещества становится очень большой. Планеты обращаются вокруг звезды, удерживаемые ее гравитацией. Гравитация ослабевает, поэтому планеты начинают отодвигаться от звезды и переходят на более широкие орбиты.

Если звезда достаточно массивная, как, например, Солнце, то произойдет еще одна пертурбация. После стадии красного гиганта, когда ядро продолжает сжиматься, становится все горячее и плотнее, может наступить стадия горения гелия в ядре. Гелий начнет превращаться в углерод, а затем в кислород. Это вторая гелиевая главная последовательность: после того как исчерпается гелий в ядре, когда образуется углеродно-кислородное ядро, ситуация повторится. Реакции в ядре остановятся, ядро продолжит свое сжатие, на поверхности ядра теперь есть гелий, и в конце концов могут быть достигнуты условия для начала термоядерного горения гелия. После этого звезда еще раз расширится и перейдет на асимптотическую ветвь гигантов: ее радиус возрастет еще сильнее, звездный ветер усилится. Далекие планеты могут начать отодвигаться от звезды сильнее, а какие-то из них будут захвачены звездой. По окончании стадии асимптотической ветви гигантов звезда начнет пульсировать, сбрасывать очень много вещества, вокруг образуется планетарная туманность, а от звезды останется белый карлик.

Белые карлики — это остывающие ядра звезд вроде Солнца, они намного легче тех звезд-гигантов, из которых они образовались, в некоторых случаях разница может составлять двойку. Если мы представим, что звезда мгновенно теряет половину своей массы, то это должно приводить к полному разлету планет. Важно понимать, что красные гиганты и звезды на стадии асимптотической ветви гигантов теряют массу постепенно и медленно. С чем сравнивать эту скорость? Нужно сравнить темп потери массы, то есть существенного уменьшения массы, с орбитальными периодами планет. Если это планеты, которые обращаются на расстоянии тысячи астрономических единиц от своей звезды, то тогда потеря массы была бы относительно быстрой. В основном планеты обращаются ближе, на расстояниях десятки астрономических единиц, поэтому потеря массы медленная, и планеты постепенно отъезжают назад. Вся система становится шире, но при этом планеты выживают на своих орбитах.

Мы наблюдаем более ста планет у красных гигантов. Некоторые из них находятся в зоне активного действия прилива. Эти планеты уже обречены, и через какое-то время — обычно это десятки миллионов лет — они упадут на свою звезду. Какие-то планеты находятся достаточно далеко, поэтому они выживут.

Красный гигант сбросит свою оболочку, останется белый карлик. И у нас образуется планетная система вокруг белого карлика. Кроме планет могут выжить и более мелкие объекты. Мы ожидаем, что белые карлики будут окружены планетными системами, где могут быть большие планеты, могут быть какие-то мелкие астероиды, кометы, оставшиеся планетезимали, что-то подобное поясу Койпера в Солнечной системе. Потенциально мы можем все это обнаружить.