Nawet umierające gwiazdy mogą rodzić planety

Planety zazwyczaj są niemal tak stare jak gwiazdy, wokół których krążą. Słońce np. narodziło się 4,6 miliarda lat temu, a niedługo potem pojawiła się Ziemia. Astronomowie z KU Leuven odkryli jednak, że możliwy jest też zupełnie inny scenariusz. Niektóre typy gwiazd, które są bliskie śmierci, mogą nadal tworzyć planety. Piszą o tym w najnowszym numerze czasopisma "Astronomy & Astrophysics". Jak mówi RMF FM pierwszy autor pracy dr Jakub Kluska, by mogło tak się stać, umierająca gwiazda musi krążyć w układzie podwójnym z inną gwiazdą. Gdy pod koniec życia wyrzuca zewnętrzną część swojej atmosfery w przestrzeń kosmiczną, grawitacyjne przyciąganie drugiej gwiazdy powoduje, że materia ta tworzy płaski, obracający się dysk. Jeśli to się potwierdzi, teorie na temat powstawania planet będzie trzeba zrewidować.

Planety Układu Słonecznego - zarówno Ziemia, jak i wszystkie inne, powstały w ciągu milionów lat po pojawieniu się Słońca. Utworzyły się z gigantycznego dysku pyłu i gazu krążącego wokół naszej gwiazdy i dlatego orbitują w tej samej płaszczyźnie.

Taką ewolucję planet obserwuje się też w wielu układach pozasłonecznych.

Dyski pyłu i gazu mogą jednak otaczać nie tylko nowo narodzone gwiazdy. Mogą się one również tworzyć wokół gwiazd podwójnych, z których jedna umiera jako biały karzeł, po wyrzuceniu zewnętrznej części swojej atmosfery w przestrzeń kosmiczną.

Grawitacyjne przyciąganie drugiej gwiazdy może spowodować, że ta materia nie ucieka, ale tworzy płaski, obracający się dysk. Taki dysk może być przy tym bardzo podobny do tzw. dysków protoplanetarnych, obserwowanych wokół młodych gwiazd w różnych miejscach naszej Drogi Mlecznej.

Autorzy opublikowanej dziś pracy odkryli teraz, że dyski otaczające tzw. wyewoluowane gwiazdy podwójne nierzadko wykazują oznaki, które mogą wskazywać na formowanie się planet. Dzieje się tak w przypadku jednej na dziesięć gwiazd podwójnych z dyskami. Jak mówi dr Jakub Kluska, w tych układach obserwuje się wewnątrz dysku wnękę, pustą przestrzeń, która wskazuje na to, że całą materię zebrała krążąca tam planeta.

W rozwiniętych gwiazdach podwójnych z dużą pustą przestrzenią wewnątrz zaobserwowaliśmy, że na powierzchni umierającej gwiazdy jest bardzo mało ciężkich pierwiastków, takich jak żelazo. Cząsteczki pyłu bogate w te pierwiastki mogły zostać zatrzymane przez planetę - dodaje Kluska. Planet w takim układzie może zresztą powstać więcej.

Odkrycia dokonano, gdy astronomowie sporządzali spis wyewoluowanych gwiazd podwójnych w naszej Drodze Mlecznej. Dokonali tego na podstawie istniejących, publicznie dostępnych obserwacji. Kluska i międzynarodowy zespół jego współpracowników naliczył 85 takich podwójnych par gwiazd otoczonych dyskiem. W dziesięciu parach badacze natrafili na dysk z dużą pustką na zdjęciach w podczerwieni.

Jeśli nowe obserwacje, że planety powstały dopiero po tym, jak jedna z gwiazd osiągnęła kres swojego życia, się potwierdzą, teorie dotyczące powstawania planet będą musiały zostać skorygowane.

Potwierdzenie lub odrzucenie tego niezwykłego sposobu formowania się planet będzie bezprecedensowym testem dla obecnych teorii - podkreśla współautor pracy, prof. Hans Van Winckel, szef Instytutu Astronomii KU Leuven.

Astronomowie KU Leuven zamierzają zweryfikować swoją hipotezę z pomocą teleskopów Europejskiego Obserwatorium Południowego w Chile. Chcą przyjrzeć się bliżej dziesięciu parom gwiazd podwójnych, których dyski wskazują na możliwą obecność planet.

Grzegorz Jasiński, RMF FM: Podczas naszej rozmowy na wiosnę 2020 roku wspominał pan o tym, że po obserwacji dysków protoplanetarnych wokół odległych gwiazd państwo chcecie się teraz zainteresować tym, co się dzieje wokół starszych gwiazd. O tym, że takie dyski i planety tworzą się wraz z powstawaniem gwiazd, mniej więcej wiedzieliśmy. To, co się dzieje wokół starszych gwiazd, był niewiadomą. I oto pojawiło się odkrycie. Na czym polega?

Dr Jakub Kluska: Zaczęliśmy się interesować też gwiazdami, które są na końcu życia. Jeśli taka gwiazda jest w układzie z inną gwiazdą to wtedy się tworzy dysk pyłu i gazu wokół tych dwóch gwiazd. Dlaczego się tworzy? Dlatego, że gdy gwiazda umiera, wyrzuca zewnętrzną cześć swojej atmosfery. Kiedy obok jest druga gwiazda, to przez interakcje grawitacyjne tworzy się dysk. Te dyski są bardzo podobne do tych, które widać wokół młodych gwiazd i wokół, których się tworzą planety. Chcieliśmy stworzyć taki katalog, zobaczyć wszystkie podwójne gwiazdy, które mają właśnie taki dysk z pyłem, no i próbować jakoś je scharakteryzować: zobaczyć, czy są duże, czy jest dużo tych dysków itd. To, co znaleźliśmy, to to, że z tych ponad 80 prawie 100 podwójnych gwiazd, wszystkie mają dyski, ale 10 proc. ma dyski z dużą wnęką, pustym miejscem. To znaczy, że pył jest bardzo oddalony od tych dwóch gwiazd, które są w środku.

O czym to może świadczyć?

To może świadczyć o tym, że jest tam prawdopodobnie planeta, która krąży wokół tych dwóch gwiazd i która tworzy tę dużą wnękę. To pierwszy raz, kiedy widzimy efekt działania tej planety wokół umierających gwiazd.

Te obserwacje, o których pan mówi, to są państwa obserwację tych wszystkich układów, czy są to jakieś wcześniejsze, a państwo je po prostu skatalogowali?

Są częściowo nasze, ale też są wcześniejsze obserwacje, które są już publiczne. Chcieliśmy po prostu zrobić katalog tych systemów podwójnych gwiazd z dyskiem. Zebraliśmy wszystkie te dane, zaczęliśmy patrzeć, co w nich jest, czego można się z tych danych nauczyć.

Jakie to są układy gwiazd? Bardzo odległe od Ziemi, średnio odległe?

Od Ziemi są odległe o rzędu kilku, czy 10 tysięcy lat świetlnych. Są dość oddalone. W naszej galaktyce, ale dość daleko. Żeby trochę dać wyobrażenie, jak oddalone są te gwiazdy jedna od drugiej, to tak samo, jak Ziemia od naszego Słońca. I tak krążą sobie ten dwie gwiazdy wokół siebie. A planeta byłaby tak naprawdę dość daleko od tych dwóch gwiazd, jak orbita Neptuna.

O jakich rozmiarach gwiazd tu mówimy? Jak rozumiem, to jest jedna gwiazda jeszcze w pełni aktywna i ta druga, z której coś pozostało. Więc o jakich masach tych gwiazd w porównaniu ze Słońcem mówimy?

To są takie gwiazdy podobnie do Słońca. Na pewno ta, która jeszcze nie wyewoluowała, jest bardzo podobna do Słońca, A ta, która umiera, jest bardziej masywna, kilka razy bardziej masywna od Słońca, od 2 do maksymalnie 8 mas słonecznych. I ta gwiazda już skończyła być olbrzymem i zaczyna być białym karłem, co znaczy, że umiera. Jest jeszcze dość duża, a przy tym jest bardzo jasna. Trzeba sobie wyobrazić, że ta gwiazda, która umiera, jest mniej więcej 1000 razy jaśniejsza niż nasze Słońce.

Czy któreś z tych układów są dostrzegalne gołym okiem?

Tak, ale trzeba mieć bardzo dobre (ciemne) niebo. To nie są bardzo znane gwiazdy, to nie są te najjaśniejsze, które widać gołym okiem prawie co noc, ale można je zobaczyć jeśli jest się w dobrym miejscu, które jest bardzo, bardzo ciemne.

Czy dysk protoplanetarny w takim układzie w jakiś sposób różni się od tego, który widzicie państwo wokół pojedynczej gwiazdy? Czy jakieś fluktuacje tej materii tam od razu wskazują na to, że tam są dwie masy krążące wokół środka ciężkości? Czy to widać, czy nie widać, czy państwo może dopiero to sprawdzicie?

Właśnie chcemy się tego dowiedzieć, pracujemy nad tym. Udało nam się zrobić pierwszy obraz takiego systemu przy użyciu interferometrii w podczerwieni. Tak samo jak wykonywaliśmy obrazy dysków wokół młodych gwiazd. Widzimy, że wewnętrzne części tego dysku są zaburzone przez ten podwójny układ gwiazd. Są tam perturbacje i staramy się je trochę bardziej zrozumieć. Nie jest to płaski dysk, ale w wewnętrznych częściach są zaburzenia.

To jest trochę tak, że takie zaburzenia mogłyby w sumie sprzyjać powstawaniu planet, prawda? Gdzieś lokalnie ta materia zbija się gęściej. Czy tak może być, że wokół tych systemów - jeśli już państwo odkryli, że tam mogą się pojawiać planety - może one się nawet mogą pojawiać szybciej w ewolucji całego tego układu od momentu śmierci jednej z tych gwiazd? Czy to może tak być, że tam dodatkowo są lokalne zagęszczenia i rozrzedzenia, a to jakoś prowadzi do szybszej nazwijmy to agregacji tego materiału?

To prawda, że istnieje taka możliwość. Takie zgęszczenia zazwyczaj pomagają w tworzeniu nowych planet. Może być też trochę inaczej, niż wokół młodych gwiazd, ponieważ wokół tych podwójnych gwiazd może już krążyć planeta, która urodziła się już kiedy te dwie gwiazdy były młode. I teraz, jak jest nowy dysk wokół tych podwójnych gwiazd, no to ta planeta może robić tam wnękę, tę pustą przestrzeń i też oddziaływać na resztę dysku i tworzyć lepsze warunki dla tworzenia kolejnej. Łatwiej mogą tworzyć się planety, jeśli już jest inna planeta.

W swojej pracy państwo wskazujecie na to, że bardzo możliwe, że skład pierwiastkowy tego pyłu tam nieco się różni od tego, co podejrzewamy w innych układach.

Obserwujemy, że pierwiastki, które widać na powierzchni umierającej gwiazdy, są inne, kiedy ta gwiazda jest otoczona dyskiem z dużą wnęką, gdzie prawdopodobnie jest planeta. Te pierwiastki, których nie widać na powierzchni tej gwiazdy, żelazo, krzem albo magnez, jak myślimy, są w pyle tego dysku, dlatego, że jeśli jest planeta między dyskiem a gwiazdą, to ten pył zostaje w dysku i nigdy nie spada na gwiazdę. Kiedy spada na gwiazdę to widzimy w innych systemach podwójnych, że żelazo i krzem jest na powierzchni tej gwiazdy. To też jest coś, co daje nam więcej pewności, że prawdopodobnie jest tam planeta, która tworzy tę wnękę, ale też sprawia, że cząsteczki pyłu, które są bogate w te ogniotrwałe pierwiastki, są zatrzymane w dysku. To jest coś, co też widać wokół młodych gwiazd, ten sam fenomen. To jest bardzo interesujące, bo nigdy nie było wiadomo, że takie planety mogą być znalezione w dyskach wokół umierającej gwiazdy.

Jeśli chodzi o planety pozasłoneczne to temat pojawił się na początku lat 90., więc jest wciąż jeszcze bardzo świeży, bardzo nowy. Na ile to państwa odkrycie zmienia nasze pojmowanie powstawania tych planet, miejsc gdzie te planety mogą powstać, otwiera zupełnie nowe obszary ich poszukiwania?

Tak. Otwiera nowe obszary, inne możliwości, które dotychczas może były tylko w wyobraźni naukowców albo w teorii, ale nigdy nie były obserwowane. To jest bardzo interesujące, stymulujące. Myślimy, że te dyski żyją bardzo, bardzo krótko, więc jeśli planety naprawdę tworzą się w tych dyskach, to powinny się tworzyć dużo szybciej niż wokół młodych gwiazd. Tak samo nie wiemy, czy jasność gwiazdy, która umiera, zmienia coś w naszych teoriach powstawania planet. Badania tych układów będą bardzo interesujące także po to, by mieć więcej wiedzy o tym, jak planety powstają wokół młodych gwiazd.

To jeszcze na koniec zapytam oczywiście o plany badania i obserwacji tych układów. Z tego, co pan dziś powie, wyniknie kolejna praca, którą pewnie za rok czy za półtora będziemy omawiać. Więc jak teraz będą wyglądały już przez państwa wykonywane badania tych układów?

Teraz próbujemy przeprowadzić więcej obserwacji, zebrać obrazy tych dysków, próbujemy obrazować pył w tych dyskach. To nie chodzi oczywiście o ziarna pyłu, ale struktury w tym dysku, które albo mogą jeszcze bardziej udowodnić, że jest tam planeta, albo też, które mogą nam pokazać, że planety mogą się tworzyć w tym dysku. Chcemy też badać, jaka jest natura tego pyłu, żeby wiedzieć, czy może ten pył w tak krótkim czasie tworzyć planety wokół tych podwójnych gwiazd. Będziemy studiowali cały ten dysk, jego budowę, by więcej dowiedzieć się o etapach narodzin planet.