Когда звезда, подобная Солнцу исчерпывает гелиевое топливо в своем ядре, она вступает в свою предсмертную агонию. Изголодавшись по топливу, он раздувается до красного гиганта, вероятно, поглощая свои самые внутренние планеты, и начинает сжигать остатки водорода до гелия. Периодически этот гелиевый пепел возрождается, заставляя звезду снова ярко гореть и выбрасывать свои внешние слои в космос.
Эта летучая фаза звездной жизни называется асимптотической гигантской ветвью (Асимптотическая гигантская ветвь (AGB)–это область диаграммы Герцшпрунга-Рассела, населенная эволюционировавшими холодными светящимися звездами). С таким большим количеством событий это может показаться наихудшей средой для деликатного процесса формирования планет. Но за последние пару десятилетий астрономы начали подозревать, что при некоторых обстоятельствах этот этап может привести к появлению нового диска материала, окружающего звезду, что приведет к появлению второго поколения планет.
Некоторые из первых астрономов-наблюдателей намекают на то, что умирающие звезды в двойных системах могут порождать новые планеты. Примерно 10 процентов звезд после AGB, которые они изучали, окружены дисками газа и пыли, которые имеют пробелы и полости в них, что является явным признаком того, что планеты, возможно, присутствуют или формируются в них.
«Удивительно, что они видят дисковые структуры, похожие на то, что мы видим в протопланетных дисках», — говорит Маттиас Шрайбер, астроном из Технологического университета Федерико Санта-Мария в Вальпараисо, Чили, который не участвовал в работе. Потребуется дальнейшая работа, чтобы определить, являются ли планеты планетами первого или второго поколения, отмечает он. «Но этот результат сам по себе фантастический».
Диск-жокейинг
В исследовании анализируются архивные наблюдения 85 двойных звезд после AGB в галактике Млечный Путь, все из которых окружены огромными дисками материала. По причинам, которые астрономы еще не до конца понимают, некоторые звезды AGB с двойной звездой-компаньоном способны быстро выйти из фазы AGB. Гравитация второй звезды позволяет части звездного материала, который взорвался в космосе, закрутиться обратно к паре звезд, образуя теплый, светящийся, вращающийся диск газа и пыли — подобно тому, что произошло, когда звезды родились. Хотя команда не увидела эти диски напрямую, они могли изучить их, глядя на излучение, которое они испускают в инфракрасном диапазоне.
Поразительно, что около 10 процентов этих дисков второго поколения не светятся так ярко, как ожидалось для полного диска — им, кажется, не хватает самой горячей и внутренней части своих дисков. Исследователи, изучающие формирование планет, называют эти переходные диски. Они являются признаком того, что планета вращается внутри, очищая материал внутреннего диска. Но обычно они ассоциируются с молодыми звездами в начале своей жизни, а не с умирающими звездами. «Интересно видеть очень близкое сходство между физикой, которую мы видим в молодых звездных объектах, и в старых эволюционировавших объектах», — говорит Ханс Ван Винкель, астроном KU Leuven и соавтор исследования.
Кроме того, для звезд после AGB, которые имеют переходные диски, команда также обнаружила более низкие уровни пылевых элементов, таких как железо, на поверхности самих звезд. Это явление называется истощением, и оно также указывает на орбитальную планету: моделирование показывает, что гравитационное присутствие большой планеты может разрушить пыль в диске, заставляя пыль накапливаться прямо за пределами орбиты планеты и предотвращая ее спираль вниз на сами звезды.
Эти два фактора в совокупности делают «очень вероятным», что эти диски имеют планету внутри них, говорит Жак Клуск, астроном из KU Leuven в Бельгии и первый автор исследования. «Это первое косвенное доказательство присутствия планеты в диске вокруг эволюционировавших звезд».
Второе поколение?
Неясно, являются ли потенциальные планеты, присутствующие в этих переходных дисках, планетами первого или второго поколения. Согласно современной теории, пост-AGB-диски служат не очень долго — всего несколько десятков тысяч лет — что едва ли достаточно для формирования планеты. Это заставляет команду думать, что истощение, скорее всего, будет вызвано выжившей планетой первого поколения.
Но, говорит Клуск, наличие планеты первого поколения создает лучшие условия для формирования планет второго поколения: заставляя пыль накапливаться в одной области диска, она может запустить процесс накопления материи, посредством которого формируется планета.
Таким образом, либо планеты в переходных дисках на самом деле являются планетами второго поколения, либо они являются выжившими в первом поколении, которые могут пасти второе поколение планет. В любом случае, находка делает возможность планет второго поколения более вероятной, говорит Клуск, хотя, добавляет он, «еще предстоит проделать некоторую работу, чтобы доказать (или опровергнуть) это».
Шрайбер говорит, что он тоже «немного склонен» к тому, что нынешние планеты являются планетами первого поколения, но не сбрасывает со счетов возможность того, что мы уже видим планеты второго поколения. «Это открытый вопрос», — говорит он. Возможно, отмечает он, теоретики в конечном итоге найдут способы для планет формироваться быстрее. «Временные рамки, которые у нас есть сейчас для формирования планет, намного короче, чем временные рамки, которые у нас были 10 лет назад. Итак, мы обнаружили механизмы, в которых природа может формировать планеты намного быстрее — и почему это не должно повториться?»
Если нынешние планеты являются планетами первого поколения, помогающими строить планеты второго поколения, астрономы могут не найти возможные планеты второго поколения вокруг звезд в кратковременной фазе после AGB, но вокруг звезд еще более продвинутых по возрасту. Возможно, астрономы уже нашли некоторые: в 2010 году Шрайбер был частью команды, которая сообщила о двух планетах-гигантах вокруг системы NN Serpentis, двойной системы с белым карликом. Планеты были замечательными, потому что белый карлик уже изгнал все свои внешние слои, а это означает, что планеты либо сумели пережить эту стадию, либо сформировались после этой фазы как планеты второго поколения.
Планеты NN Ser положили начало большей части текущих спекуляций о планетах второго поколения, которые привели к этому исследованию. «Это было спекулятивно, но теперь, чтобы действительно увидеть переходные диски... указатели формирования планет в протопланетных дисках — это удивительно», — говорит Шрайбер.
Для дальнейшего исследования этих переходных дисков Клуск и его коллеги проводят наблюдения с помощью радиотелескопа ALMA и интерферометра Очень Большого Телескопа, расположенных в чилийской пустыне Атакама. Это позволит им напрямую отображать диски, надеясь выявить их структуру и, возможно, больше признаков формирования планет.