Астрономія
Астрономія

Забруднені білі карлики викрили екзотичний склад мантій своїх планет

Американським астроному у парі з геологом вдалося оцінити склад кам'янистих екзопланет, що колись оберталися навколо білих карликів — зірок на останній стадії еволюції. Склад атмосфери світил викрив склад планет, які постраждали внаслідок їхньої еволюції — вчені відшукали екзотичні породи, які, на їхню думку, потребують нових схем класифікації. Так всього 11 були схожі на Землю, інші ж складалися з різних мінеральних сполук, які не властиві Сонячній системі. Причому вміст кремнію свідчить, що знайдені вченими елементи належали мантіям планет, а не їхній корі. Детальний аналіз складу екзопланет 23 білих карликів вчені опублікували у Nature Communications.

NOIRLab / NSF / AURA /J. da Silva / M. Zamani / M. Kosari

NOIRLab / NSF / AURA /J. da Silva / M. Zamani / M. Kosari

Хто забруднює білих карликів?

Білі карлики — це зірки з масою не більше восьми сонячних, які залишили головну послідовність, витративши своє паливо і накопичений матеріал. Втім, перш ніж стиснутися до розмірів Землі та почати повільно остигати, білі карлики переживають розширення до червоних гігантів, що, звичайно, впливає на все, що їх оточувало. Зокрема, тіла, які досі трималися на межі Роша, тобто мінімальній відстані для супутника, на якій їм вдається зберігати цілісність під дією припливних сил, різко цю межу перетинають. За нею планети руйнуються, а їхні уламки потрапляють в атмосферу їхніх світил.

Атмосфера більшості білих карликів, що охолонули нижче 25 тисяч кельвінів, складається з чистого водню або гелію, оскільки за таких температур важчі елементи швидко опускаються в ядра зірок. Однак, якщо зорі у минулому встигли обзавестися планетами, то сміття від їхнього руйнування теж можна буде виявити в спектрі. Астрономи знаходять елементи, важчі за гелій, що дає їм найбільш пряме уявлення про склад зруйнованих поруч зі світилом тіл.

Навіщо вони вченим?

Джерела забруднення можуть складатися з цілих планет або уламків планет, схожих на наш пояс астероїдів. Дослідження забруднених білих карликів показують, що у джерелах забруднення переважають скелясті об'єкти, схожі внутрішні планети нашої Сонячної системи. Щоб відрізнити їх від газових гігантів, астрономи нерідко застосовують термін «земні» на позначення таких об'єктів. Втім, хоч і Меркурій, і Земля, і Місяць, і Марс — усі «схожі на Землю» в астрономічних термінах, вони дуже різняться з точки зору геології. Тому у своїй новій роботі астроном обсерваторії Джеміні Сиї Сю (Siyi Xu) та геолог Каліфорнійського університету Кіт Путірка (Keith D. Putirka) взялися за більш детальне розмежування. На основі аналізу спектрів 23 забруднених білих карликів вони пропонують нові типи «меркурієподібних» та «марсоподібних» планет, а також нові типи мінеральних сполук, за якими можна розділити кам'янисті екзопланети.

Вчені відібрали 23 забруднених білих карлика, в атмосферах яких шукали кальцій, кремній, магній та залізо. Свої дані вони порівнювали з даними про склади метеоритів, порід Марса, Землі, Місяця, а також кам'янистих екзопланет Чумацького Шляху, для яких відомі приблизні співвідношення елементів.

Більшість забруднення склали метеорити, проте високий вміст металів вказав на сміття від можливо зруйнованих планет. Щоб оцінити геологічне різномаїття, дослідники оцінили склади білих карликів відповідно до того, якими могли б бути породи в умовах верхньої мантії на планеті розміром із Землю. Їх порівнювали з основними породами, які становлять понад 90 відсотків мантії Землі та очікуються в мантії Місяця, Марса та Меркурія – олівіном, клинопіроксеном та ортопіроксеном. Таким чином, вчені відсікли світила, які вийшли за межі діаграми порід і перерахували їхні склади вже з використанням нових наборів мінералів.

Які планети оберталися біля карликів?

З 23 зірок, 11 потрапили у межі діаграми розподілу цих трьох типів основних порід. Інші знаходяться далеко за її межами, оскільки в них відсутні олівін або ортопіроксен, але вони насичені кварцом або периклазом. І саме кварц і периклаз дуже рідко зустрічаються у верхній мантії внутрішніх планет нашої Сонячної системи. Таким чином, на основі співвідношення периклазу, олівіну та піроксенів, вчені запропонували нові терміни для опису таких типів мантійних порід: «кварцові піроксеніти», «кварцові ортопіроксеніти», «периклазові дуніти», «верліти периклазу» та «периклазні клинопіроксеніти».

Причому моделювання показує, що металеві ядра можуть бути стійкішими до приливних сил, тому у забрудненні зірок відбиваються саме силікатні матеріали, що прояснює астрономам склад мантії та кори зруйнованих екзопланет. Однак, варто підкреслити, що хоча термодинамічні моделі і можуть передбачити геологію деяких планет, жодна з них не зможе передбачити товщину кори, тектоніку плит або мінералогію нижньої мантії. Але нові дані про склади та класифікація допоможе у моделюванні. Поки що вибірка, використана вченими, все ще надто мала, щоб робити однозначні висновки, за їхніми словами, але вони закликають і надалі досліджувати системи білих карликів.

Білі карлики насправді не такі спокійні, як може здатися з огляду на те, що вони завершують свою еволюцію. Так нещодавно ми писали, як астрономи застали білого карлика за роздиранням планетезималя. А перетворення зорі на білого карлика зруйнує резонанс у системі з чотирма планетами та імовірно викине двох з неї. Втім, планеті розміром з Юпітер вдалося пережити смерть своєї зірки і тому вона досі обертається на орбіті свого білого карлика. А самі білі карлики остигати не поспішають та іноді продовжують спалювати водень, що відстрочує їм охолодження.

Також ми розповідали, що вчені знайшли в атмосферах забруднених білих карликів сліди кори розірваних ними планет, однак на думку авторів цього дослідження, з'ясувати склад кори таким чином все ж неможливо, оскільки лужні метали не визначають тип порід


Фото в анонсі: https://scx2.b-cdn.net/gfx/news/hires/2021/rocky-exoplanets-are-e.jpg NOIRLab / NSF / AURA /J. da Silva / M. Zamani / M. Kosari