10 Minuten
Kai žvaigždės miršta, atsiveria naujos galimybės
Saulės tipo žvaigždžių gyvavimo ciklas nesibaigia dramatiška supernova — jis užbaigiamas lėtu išorinių sluoksnių atmetimu ir kompaktiško branduolio atsiradimu: baltuoju nykštuku. Baltieji nykštukai nėra tik astronominiai pėdsakai: jų yra gausu — Manoma, kad Paukščių Take jų yra apie 10 milijardų — ir jie gali turėti planetines sistemas ilgai po to, kai jų šaltiniai išeikvoja branduolinį kurą. Tai kelia gilią astrobiologinę ir egzoplanetų tyrimų klausimą: ar planetos aplink baltuosius nykštukus gali išlaikyti arba įgyti sąlygas skysčiam vandeniui ir, pagal tai, gyvybei?
Šiame straipsnyje apžvelgiama baltųjų nykštukų planetinių sistemų fizinė aplinka, habitabilumui kylančios kliūtys (tarp jų potvyninė šiluma ir žvaigždžių evoliucija), mechanizmai, kurie gali perkelti planetą į temperatuotą orbitą, ir stebėjimo strategijos — nuo tranzitų spektroskopijos iki naujos kartos teleskopų — galinčios atskleisti atmosferines biosigūras aplink šiuos kompaktiškus šaltinius.
Baltieji nykštukai: maži, tankūs ir gausūs
Baltieji nykštukai susidaro, kai žvaigždės, kurių pradinis masės dydis yra iki maždaug aštuonių Saulės masių, baigia susijungti vandenilį ir helį savo branduoliuose. Vėlesniuose evoliucijos etapuose tokios žvaigždės išsiplečia į raudonuosius milžinus ir praranda didelę dalį masės vėjų ir išmetimų dėka. Liekana — maždaug Žemės dydžio objektas, turintis apie pusę Saulės masės — yra baltasis nykštukas. Elektronai šiame likučio objekte suspausti iki kvantinės mechanikos ribų, o objektas vėsta lėtai per milijardus metų.
Nepaisant palyginti mažo dydžio, baltasis nykštukas – čia pavaizduotas kaip ryški taškas dešinėje nuo mūsų Saulės – yra labai tankus. Autorius: Kevin Gill/Flickr, CC BY
Kadangi dauguma galaktikos žvaigždžių yra mažos masės ir vėliau taps baltuoju nykštuku, šie likučiai sudaro milžinišką potencialių egzoplanetų paieškos tikslų populiaciją. Jei aplink baltuosius nykštukus gali egzistuoti tinkamos gyvybei sąlygos, tai praplėstų aplinkų, kuriose gyvybė galėtų išlikti, skaičių ir įvairovę. Tačiau sąlygos gyvybei skiriasi svarbiais aspektais nuo tų, kurios vyrauja aplink pagrindinėje sekoje esančias žvaigždes, tokias kaip Saulė.
Kur yra gyvybės zona aplink baltąjį nykštuką?
Gyvybės zonos (GZ) sąvoka yra paprasta: tai orbitinių atstumų diapazonas, kuriame planeta su Žemei panašia atmosfera gali išlaikyti skystą vandenį ant paviršiaus. Baltųjų nykštukų atveju GZ yra labai arti žvaigždės, nes baltieji nykštukai yra daug blankesni už pagrindinės sekos žvaigždes. Tipinės baltųjų nykštukų GZ pasirėžos randasi orbitiniuose atstumuose tik kelias šimtąsias iki kelių dešimtųjų astronominių vienetų (AU) — dešimtis ar šimtus kartų arčiau nei Žemė yra nuo Saulės.
Planetos gyvybės zonoje nėra tokios arti, kad jų paviršiaus vanduo užvirs, bet ir ne tokios toli, kad jis užšaltų. Autorius: NASA
Toks artumas kelia kelis iššūkius. Pirma, potvyninės jėgos nuo baltųjų nykštukų yra stiprios, ir planeta GZ atstumais dažnai bus įstrigusi sinchroninėje rotacijoje (viena pusė nuolat nukreipta į žvaigždę), kas keičia klimato modelius. Antra, bet kuri planeta, kuri užėmė tą regioną progenitorinės žvaigždės raudonojo milžino fazės metu, greičiausiai būtų buvusi įtraukta arba atplėšta nuo lengvųjų skysčių. Todėl, kad planeta šiandien būtų tinkama gyventi aplink baltąjį nykštuką, ji turi arba išgyventi dramatiškus evoliucinius įvykius, arba patekti į GZ po žvaigždės tapimo baltuoju nykštuku.
Potvyninė šiluma, orbitinė dinamika ir skysčių išlikimas
Dominuojantis fizinis procesas planetoms, skriejančioms arti kompaktiškų objektų, yra potvyninė šiluma. Potvyninės jėgos atsiranda todėl, kad centrinių objektų (arba kitų arti esančių masyvių kūnų) trauka skiriasi per planetos spindulį. Šios diferencijuotos jėgos lanksto planetos vidų; trintis verčia tą mechaninę energiją virsti šiluma. Mūsų Saulės sistemoje Jupiterio palydovės Io pavyzdys aiškiai iliustruoja šį reiškinį: intensyvus potvyninis siurbimas iš Jupiterio ir orbitiniai sąveikos su kitais palydovais pakankamai įkaitina Io, kad ten veiktų šimtai ugnikalnių ir nebūtų stabilaus paviršinio vandens.
Iš keturių didžiųjų Jupiterio palydovų Io yra arčiausias. Jupiterio ir kitų trijų palydovų trauka traukia Io skirtingomis kryptimis, kas jį įkaitina. Autorius: Lsuanli/Wikimedia Commons, CC BY-SA
Priešingai, Europa — taip pat potvyniniu būdu įkaitinama — išlaiko storą ledo sluoksnį virš globalaus požeminio vandenyno. Šie du pavyzdžiai parodo, kaip potvyninė šiluma gali sukelti rezultatų spektrą — nuo smarkaus paviršiaus perkeitimo iki sąlygų, palaikančių skystą vandenį po ledo danga. Planetoms baltųjų nykštukų GZ atstumais potvyninės šilumos dydis priklauso nuo orbitinio ekscentriškumo, planetos sudėties ir palydovų arba kaimyninių kūnų buvimo. Jei planeta migruoja į vidų arba periodiškai priverčiama kitų kūnų, potvyninė šiluma gali sterilizuoti paviršių užvirus vandenynams. Tačiau vidutinėse ribose ji gali tiekti geoterminę energiją, padedančią palaikyti požeminį arba net paviršinį skystą vandenį, ypač sinchronizuotose planetose.
Migracijos keliai į gyvybingas orbitas
Kadangi progenitorinė raudonojo milžino fazė tikėtina sunaikina artimas planetas, potencialiai gyvybingos planetos aplink baltuosius nykštukus greičiausiai susiformuoja toliau nuo žvaigždės ir vėliau migruoja į vidaus orbitas po baltųjų nykštukų susidarymo. Keliai, kurie gali atnešti planetas į artimas orbitas, yra įvairūs: planetų tarpusavio išstūmimas, sekulinės sąveikos, tokios kaip Kozai–Lidov svyravimai, sukelti tolimų kompanionų, arba laisvų plaukiojančių planetų sugavimas. Simuliacijos rodo, kad migracija yra įmanoma, bet procesas gali sukelti intensyvią potvyninę šilumą ir kartais lemti planetos suėmimą arba išstūmimą.
Laikas yra esminis. Jei migracija vyksta tuo metu, kai baltasis nykštukas vis dar yra labai karštas ir švytintis (tuoj po susiformavimo), intensyvi žvaigždinė radiacija kartu su potvynine šiluma gali nuplėšti atmosferas ir išvirti vandenynus. Jei migracija įvyksta vėliau, kai baltasis nykštukas ataušęs ir pritemęs, planeta gali potencialiai išlaikyti arba atgauti skysčius ir išsaugoti paviršinį skystą vandenį. Todėl tiek orbitinė istorija, tiek baltojo nykštuko terminė evoliucija kartu lemia gyvybingumo perspektyvas.
Stebėjimo perspektyvos ir biosigūrų aptikimas
Vienas svarbus baltųjų nykštukų planetų privalumas stebėjimo požiūriu yra geometrinis: Žemės dydžio planeta tranzituodama prieš Žemės dydžio baltąjį nykštuką užstoja didelę dalį žvaigždės šviesos. Tranzitų spektroskopija per atmosferos limbą tokių įvykių metu teorinis gali atskleisti molekulines absorbcijas (H2O, O2, O3, CH4, CO2) su mažesniais teleskopais arba trumpesniu integracijos laiku nei planetoms aplink didesnes žvaigždes.
Astronomai ieško nežemiškos gyvybės stebėdami planetas, kai jos praeina prieš savo šeimininkes žvaigždes iš mūsų linijos. Kai žvaigždės šviesa praeina per planetos atmosferą, mokslininkai gali taikyti fizikos principus, kad nustatytų, kokios molekulės joje yra.
Tačiau aptikimas yra sudėtingas. Mažas baltųjų nykštukų fizinis dydis reiškia, kad tranzitai yra trumpi ir retai pastebimi iš mūsų perspektyvos; tranzito tikimybė maža, nebent orbitos yra labai tiksliai susulygiuotos. Žemės stebėjimai ir kosminės misijos, tokios kaip TESS, nėra optimizuotos atrasti šiuos trumpalaikius, mažo tikslinio diametro tranzitus, nors jos gali prisidėti. Jameso Webb kosminis teleskopas (JWST) ir artėjantys itin dideli žemės teleskopai (ELT) yra geriau pritaikyti charakterizuoti bet kokius tranzituojančius kandidatų atmosferas infraraudonosios spektroskopijos pagalba. Nuo 2020 m. ir vėliau keli intriguojantys sistemos — įskaitant pirmuosius nepažeistus planetų kandidatus, susijusius su baltuoju nykštuku — įrodė, kad planetos gali išlikti arba vėl atsirasti aplink šiuos „mirusius" žvaigždžių likučius, skatindamos giliau tyrinėti.
Mokslinis kontekstas, pasekmės ir būsimų misijų vaidmuo
Baltųjų nykštukų habitabilumas susikerta su keliomis mokslo disciplinomis: žvaigždžių evoliucija, planetinė dinamika, atmosferos chemija ir astrobiologija. Jei gyvybė galėjo egzistuoti (ar egzistavo) planetoje, skriejančioje aplink baltąjį nykštuką, tai praplėstų supratimą apie gyvybės ištvermę ir galimų gyvybingų aplinkų spektrą. Pavyzdžiui, požeminis gyvenimas, palaikomas potvyninės šilumos, galėtų išlikti net jei paviršinės sąlygos yra priešiškos. Priešingai, paviršinis gyvenimas gali klestėti planetose, kurios vėliau atsidūrė stabilioje GZ po žvaigždės mirties.
Ateities instrumentai ir stebėjimo strategijos nulems mūsų galimybes patikrinti šias galimybes. JWST turi jautrumą aptikti spektrines savybes tinkamose tranzituojančiose sistemose; ELT (GMT, TMT, E-ELT) suteiks aukštos skiriamosios galios spektroskopiją ir geresnį jautrumą optiniame bei arti-infraraudonajame diapazone. Kosminės misijos, galinčios stebėti plačius laukus dideliu kadenciškumu ir tikslumu, padidintų trumpalaikių baltųjų nykštukų tranzitų radimo dažnį. Laboratoriniai ir teoriniai darbai apie atmosferos išlaikymą, potvyninę disipaciją ir skysčių tiekimą tikslins parametrų erdvę gyvybingoms išvadoms.
Eksperto įžvalga
„Baltųjų nykštukų planetos primena mums, kad habitabilumas nėra vienas būsena, o procesas, priklausantis nuo laiko, dinamikos ir energijos šaltinių,“ sako dr. Mara Ellison, fikcinė planetų dinamikos specialistė. „Net jei pasaulis praranda paviršinį vandenį raudonojo milžino fazėje, vėlesnė migracija arba kometų pristatymas gali atkurti skysčius. O potvyninė šiluma gali būti dviprasmiškas veiksnys: žalinga aukštais lygiais, bet kritiškai svarbi energijos šaltiniu palaikyti požeminius buveinius vidutinėse ribose."
Pagrindiniai atradimai ir jų reikšmė
Keli stebėjimo įrodymai palaiko idėją, kad planetinė medžiaga išlieka arba vėl susilieja aplink baltuosius nykštukus. Metalais „užterštos" baltųjų nykštukų atmosferos stebėjimai rodo planetinės nuolaužų akreciją. Kartais tranzituojančios nuolaužos ir nepažeisti planetų kandidatai demonstruoja, kad kieti kūnai gali išlikti arba būti perkelti į artimas orbitas. Šie atradimai reiškia, kad planetinės sistemos nebaigia savo istorijos staiga žvaigždės mirtimi — jos toliau evoliucionuoja ir kartais sukuria aplinkas, radikaliai skirtingas nuo tų, kurios egzistavo žvaigždės pagrindinėje sekoje.
Iš astrobiologinės perspektyvos centrinė išvada yra tokia: potencialių gyvenamųjų vietų kataloge turėtų būti įtraukti žvaigždžių likučiai. Jei gyvybė galėtų kilti arba išlikti šiuose pasauliuose, gyvybingumo laiko langas taptų daug ilgesnis ir apimtų epochas, kurias dauguma dabartinių egzoplanetų tyrimų retai pabrėžia.
Iššūkiai, atviri klausimai ir tyrimų prioritetai
Išlieka svarbūs atviri klausimai. Kiek didelė dalis baltųjų nykštukų turi planetas stabiliose gyvybės orbitose? Kaip dažnai migracijos mechanizmai tiekia skysčius tokioms planetoms? Ar atmosferos gali išlikti veikiamos radiacijos ir potvyninės šilumos pakankamai ilgai, kad susidarytų gyvybė? Atsakyti į šiuos klausimus reikia koordinuotų teorinių darbų, taikinių tranzitų paieškų aplink žinomus baltuosius nykštukus ir bet kokių kandidatų atmosferinės charakterizacijos galingais spektrografais.
Pagrindiniai tyrimų prioritetai yra:
- Aukšto kadenciškumo tranzitų tyrimai, orientuoti į baltuosius nykštukus, siekiant padidinti atradimų dažnį.
- Išsamūs potvyninės evoliucijos modeliai, jungiantieji orbitinę dinamiką, vidinę disipaciją ir atmosferos nuostolius.
- Laboratoriniai ir modeliavimų tyrimai apie biosigūrų dujų gamybą ir aptikimą ne Žemei panašioje radiacinėje aplinkoje.
- Sekimas spektroskopija su JWST ir ELT, siekiant ieškoti vandens, deguonies, metano ir kitų potencialių biosigūrų.
Išvada
Planetos, skriejančios aplink baltuosius nykštukus, yra intriguojanti ir netradicinė galimai gyvybingų pasaulių klasė. Labai arti esančios gyvybės zonos, stiprios potvyninės jėgos ir sudėtingos dinaminės istorijos daro jų habitabilumą niuansuotu klausimu, o ne paprastu „taip arba ne" atsakymu. Palankiais atvejais — vėlyva migracija į ataušusią baltojo nykštuko GZ, vidutinė potvyninė šiluma ir vandens išlikimas arba atkūrimas — tokios planetos galėtų turėti skysto vandens ir galbūt gyvybę.
Stebėjimo pažanga per ateinančius dešimtmečius, kurią skatins JWST, ELT ir patobulintos tranzitų apklausos, bus lemiama patikrinant šias idėjas. Net vienos temperatuotos, atmosfera aprūpintos planetos aplink baltąjį nykštuką patvirtinimas praplėstų mūsų supratimą apie tą planetinių aplinkų spektrą, kurią laikome tinkama gyvybei, ir pakeistų supratimą apie planetinių sistemų evoliuciją po žvaigždės mirties.
Quelle: scitechdaily
Kommentar hinterlassen