научная статья по теме ОБРАЗОВАНИЕ ПЛАНЕТ В ХОДЕ ЭВОЛЮЦИИ ОДИНОЧНЫХ И ДВОЙНЫХ ЗВЕЗД Астрономия

Текст научной статьи на тему «ОБРАЗОВАНИЕ ПЛАНЕТ В ХОДЕ ЭВОЛЮЦИИ ОДИНОЧНЫХ И ДВОЙНЫХ ЗВЕЗД»

АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2012, том 89, № 4, с. 343-353

УДК 524.3-54+523.4-52

ОБРАЗОВАНИЕ ПЛАНЕТ В ХОДЕ ЭВОЛЮЦИИ ОДИНОЧНЫХ

И ДВОЙНЫХ ЗВЕЗД

© 2012 г. А. В. Тутуков*, А. В. Федорова

Учреждение Российской академии наук Институт астрономии РАН, Москва, Россия Поступила в редакцию 10.11.2011 г.; принята в печать 22.11.2011 г.

Анализ современных представлений о возникновении и эволюции одиночных и двойных звезд дает основания предложить несколько возможных сценариев образования планет около одиночных и двойных звезд главной последовательности, вырожденных карликов, нейтронных звезд и черных дыр звездных масс. Основная причина образования планет в ходе звездообразования — избыток углового момента, ведущий к формированию аккреционно-декреционного газо-пылевого диска около одиночной звезды либо компонент двойной звезды. Эволюция этих дисков и приводит к появлению планетных систем. Причиной появления подобного диска около сформировавшихся звезд в ходе их эволюции может быть аккреция звездой вещества плотных межзвездных газо-пылевых облаков, аккреция вещества спутника в двойной системе, потеря вещества в ходе сжатия быстровращающейся звезды, в частности, при ускорении вращения твердотельно-вращающейся звезды в ходе ее эволюции в пределах главной последовательности. Теоретическая оценка доли звезд, обладающих планетными системами (30%—40%), близка к современным наблюдательным оценкам этой доли (~34%).

1. ВВЕДЕНИЕ

Поиск планетных систем — одна из важнейших задач современной астрономии. Ее результат имеет не только чисто астрономическое, но и философское, мировоззренческое значение. Он определяет место человека и земной жизни во Вселенной.

Вплоть до последнего десятилетия единственным доступным объектом исследования оставалась Солнечная планетная система. Существование других планетных систем допускалось, но было недоказуемо в силу недостаточной мощности средств наблюдения. Важным аргументом в пользу широкой распространенности планетных систем было распределение протозвезд фиксированной массы по угловым моментам. Протозвездные газовые облака с угловым моментом выше некоторого предела рождают двойные и кратные звезды [1, 2]. Для удержания звезды главной последовательности (ГП) в пределах ротационной устойчивости ее угловой момент должен быть меньше некоторого другого предела. Что принципиально важно, этот последний предел почти в 10 раз меньше первого [1, 2]. Протозвезды с промежуточными угловыми моментами, составляющие почти треть всех протозвезд, должны превращаться в звезды с планетными системами. При этом основная доля вещества таких протозвезд заключена в образующихся звездах, а угловой момент сосредоточен в

E-mail: afed@inasan.ru

планетах. Данный аргумент позволил количественно оценить частоту появления планетных систем около одиночных звезд на основании статистики тесных двойных звезд. Эта частота оказалась равной 30%—40% [1,2].

За последние 10 лет в наблюдательном исследовании внесолнечных планет произошла революция. Увеличение точности фотометрического исследования блеска звезд (до 0.0005т) и точности определения радиальных скоростей звезд (до нескольких десятков м/с), а также запуск специализированного спутника "Кеплер", состоявшийся в марте 2009 г. [3], привели к обнаружению множества внесолнечных планет. К началу 2011 г. число известных кандидатов в планеты увеличилось до 1235, причем эти планеты принадлежат 997 звездам [4]. Текущая оценка частоты планетных систем и протопланетных пылевых дисков вокруг звезд в окрестности Солнца, основанная на наблюдениях [4—6], оказалась равной ^34%. Эта частота хорошо согласуется с ее теоретической оценкой, приведенной выше.

Данная оценка относится к одиночным звездам. Однако в последнее время стало ясно, что образование планетных систем не ограничивается одиночными звездами с избытком углового момента. Планеты могут возникать как около двойных звезд, так и около компонент двойных и кратных систем [7—9]. Такие планеты формируются в ходе аккреции вещества исходного газо-пылевого облака молодой тесной двойной системой или компонентами

кратных систем [9—11], либо возникают в газовых дисках, образование которых обусловливается обменом веществом между компонентами двойной звезды в ходе их эволюции [12]. Планеты обнаружены в более чем 50 двойных звездах [13], а также в тройной системе HD 132563 [14]. Наблюдаемая частота образования планет около компонент кратных звезд сравнима с частотой их образования около одиночных звезд: около 20% известных планет расположены в двойных системах [15—17]. Включение двойных звезд в число потенциальных носителей планетных систем увеличивает долю звезд с такими системами с имеющейся на сегодня оценки ~1/3 [1, 2] до более высокого значения, точная величина которого пока остается неясной. Оценка этой доли осложнена неопределенностью роли гравитирующего спутника в формировании планет около одной из компонент, а также роли гравитационного потенциала центральной двойной системы в образовании планет в окружающем звезды аккреционно-декреционном диске. В конечном итоге можно ожидать, что возникновение большинства звезд сопровождается образованием планет, а общее число планет в Галактике — порядка числа звезд либо превосходит последнее.

Широкая распространенность планетных систем около звезд солнечного типа обострила вопрос о механизме образования планет, который в настоящее время широко обсуждается [18, 19]. Вопрос о возникновении Солнечной планетной системы имеет давнюю историю. Еще в XVIII в. И. Кант и П.С. Лаплас предложили гипотезу об одновременном образовании Солнца и планет, которая связывает формирование планет с эволюцией исходного околозвездного газо-пылевого диска. Этот сценарий остается популярной основой для современных работ по изучению условий образования планетных систем около одиночных и двойных звезд в рамках нескольких гипотез, вытекающих из анализа эволюции этих звезд.

Целью настоящей работы является исследование сценариев возникновения планетных систем в ходе образования и эволюции одиночных и двойных звезд различных типов и масс. Современные представления о формировании и эволюции звезд позволяют предложить более 10 качественно различных сценариев образования планетных систем как около формирующихся протозвезд, так и около уже сформировавшихся звезд главной последовательности либо конечных продуктов звездной эволюции (рисунок). В разделе 2 дан краткий обзор наблюдаемых параметров внесолнечных планет. В разделе 3 анализируются различные сценарии образования планет. В разделе 4 кратко обсуждается проблема выживания планет в ходе превращения

их центральной звезды в красный гигант. В разделе 5 кратко рассматривается вопрос о существовании поля "свободных" планет в галактиках и межгалактическом пространстве. В Заключении подведены основные итоги работы.

2. НАБЛЮДАЕМЫЕ ПАРАМЕТРЫ ВНЕСОЛНЕЧНЫХ ПЛАНЕТ

Эффекты наблюдательной селекции пока ограничивают центральные массы звезд, имеющих об-наружимые планеты, величиной порядка солнечной. Звезды меньших масс слишком слабы для детального исследования, а звезды больших масс столь ярки, что даже их ближайшие планеты слишком далеки от них, и затмения этих звезд своими планетами являются маловероятными и неглубокими, что осложняет обнаружение планет у таких звезд. Кроме того, большая скорость вращения этих звезд исключает спектральный метод поиска их планет.

Большинство планетных систем из обнаруженных на сегодня имеют только одну планету [20]. Однако известны и звезды, обладающие двумя (115 звезд), тремя (45), четырьмя (8), пятью (1), шестью (1) и даже семью (1) планетами [20] (в скобках указано соответствующее число звезд). Семь планет (текущий рекорд) имеет система HD 10180 [21]; их массы составляют 1—25MJ (где MJ — масса Юпитера), а орбитальные периоды — 1.2—2222 сут. Пять планет системы Gliese 581 имеют массы 2—16MJ и орбитальные периоды 3—400 дней [22]. Сложности обнаружения многопланетных систем очевидны. Они, вероятно, пока практически непреодолимы для спектрального метода поиска планет, но их можно преодолеть при использовании затменного метода, если планетная система достаточно компактна и компланарна. Обнаружение многопланетных систем позволило продолжить работу по поиску "универсального" закона распределения планетных орбит. Закон а ~ ехр(а п), где а — большая полуось орбиты планеты, а п — ее номер, пока кажется подходящим как для Солнечной системы (а & 0.56), так и для звезды 55 Спс (а & 1) [23].

Опишем основные черты около 500 наблюдаемых внесолнечных планет, опираясь на последние обзоры [24—26] и учитывая, что эффекты наблюдательной селекции существенно ограничивают наши возможности обнаружения экзопланет.

Массы известных внесолнечных планет заключены в пределах от ^0.01MJ до ~10MJ [24—26]. Нижняя граница этого интервала обусловливается эффектами наблюдательной селекции, осложняющими обнаружение планет малой массы как спектральным, так и затменным методом. Планеты с массами, большими ~10MJ, вероятно, редки.

Образование планетных систем в ходе эволюции одиночных и двойных звезд. Слева указаны объекты, эволюция которых может привести к появлению планетной системы. Большими темными кружками изображены вырожденные карлики либо нейтронные звезды. AGB-звезда — звезда асимптотической ветви гигантов.

Причина этого остается пока не вполне ясной.

Возможно, что декреционный характер холодного протопланетного диска ограничивает максимальную массу образующихся в нем фрагментов величиной ^10MJ. Спутником звезды с массой порядка одной либо нескольких солнечных масс теоретически может быть и коричневый карлик с массой

0.01—0.1М0. Однако наблюдения звезд этих масс обнаружили практически полное отсутствие у них таких спутников, как коричневые карлики [27]. Это,

вероятно, является следствием свойств фрагментации исходных коллапсирующих протозвездных

газо-пылевых облаков. Возможно, что исходная фрагментация протозвездных облаков не обеспе-

чивает столь малых отношений масс компонент двойных систем [1, 28].

Характерные радиусы планет с массами 1—10MJ составляют —0.1 Е© [29]. Эффекты н

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком