Обнаружены прямые свидетельства наличия планеты у белого карлика

Рис. 1. Результаты наблюдений периодических изменений блеска белого карлика WD 1856. По горизонтали отложено время (в минутах от максимальной фазы транзита), по вертикали — относительная яркость. Слева — данные о колебаниях блеска, полученные на оптическом Большом Канарском телескопе, справа — аналогичная информация от космического инфракрасного «Спитцер». На обоих графиках красные кривые представляют усредненные результаты наблюдений, вычисленные на основе критерия минимальной погрешности. Горизонтальные линии на обоих графиках (голубая слева и светло-красная справа) задают почти идентичные интервалы максимального падения яркости, вычисленные на 68-процентом уровне доверия. Если бы сателлит был сильным источником инфракрасного излучения, что характерно для коричневых карликов, яркость в инфракрасном диапазоне падала бы в меньшей степени, и красная полоса лежала бы заметно выше голубой. Это позволяет утверждать, что на 95-процентном доверительном уровне масса сателлита не превышает 13,8 масс Юпитера. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Несмотря на то, что по современным представлениям у белых карликов вполне могут быть планеты-спутники, до недавнего времени никаких прямых указаний на это известно не было. На прошлой неделе в журнале Nature была опубликована статья с сообщением об идентификации находящегося на расстоянии 25 парсек от нас белого карлика, который регулярно затмевается своим спутником. При этом экранируется значительная часть света, доходящего от карлика до Земли. По мнению первооткрывателей, этот спутник может быть либо планетой юпитерианского типа и размера, либо, хотя и со значительно меньшей вероятностью, маломассивным коричневым карликом.

Принципиальная возможность существования белых карликов с единичными планетами или даже планетными системами уже давно не вызывает сомнений. Согласно общепринятым моделям звездной эволюции, ими становятся звезды с начальными массами не более 8–10 масс Солнца, истощившие запасы термоядерного топлива. Поскольку доля таких светил в нашей Галактике превышает 90% и поскольку, как стало ясно в последние десятилетия, многие из них обладают планетами, можно ожидать, что хотя бы некоторые планетные свиты тем или иным образом переживают катаклизмические процессы, которые сопровождают финальную фазу жизни звезды перед ее превращением в белый карлик. В пользу такого предположения говорят и теория вероятностей, и элементарная логика.

Тем не менее, до сих пор не был известен ни один белый карлик, обладающий спутником или спутниками планетного типа. За последние 15 лет астрономы обнаружили немало косвенных свидетельств, указывающих на такую возможность. Например, на замкнутых орбитах вблизи ряда белых карликов были обнаружены газопылевые диски и даже небольшие твердые тела, которые, как считается, могут быть остатками каменистых планет, разрушенных приливными силами. В конце прошлого года появилось сообщение астрофизиков из Великобритании, Германии и Чили об открытии вокруг белого карлика WDJ 0914 газообразного аккреционного диска, чей химический состав (преимущественно это водород, кислород и сера) похож на состав гигантских ледяных планет (см. новость Астрономия конца 2019 года: новости из разных уголков Вселенной, «Элементы», 12.12.2019). Авторы этой работы допускают, что источником вещества диска служит испаряющаяся под лучами белого карлика газовая оболочка планеты нептунианского типа, которая обращается вокруг него на расстоянии порядка 10 миллионов километров (это примерно шестая часть среднего радиуса орбиты Меркурия). Поскольку в процессе аккреции на WDJ 0914 стабильно падает свыше трех тысяч тонн вещества в секунду, которые должны откуда-то поступать, такая гипотеза выглядит вполне правдоподобной. Однако сама планета, если таковая существует, пока не обнаружена непосредственными наблюдениями.

На прошлой неделе в журнале Nature была опубликована статья большой международной команды ученых под руководством Эндрю Вандербурга (Andrew Vanderburg), которая, судя по всему, обнаружила первые прямые свидетельства наличия планет у белых карликов. Ее авторы применили фотометрический (он же транзитный) метод, который сейчас стал золотым стандартом выявления звездных спутников. Он состоит в регистрации периодических колебаний видимой яркости звезды, вызванных прохождением экранирующей планеты по ее диску. Разумеется, чтобы этот метод работал, плоскость планетной орбиты должна образовывать небольшой (в идеале, нулевой) угол с направлением на Землю. Хотя эту технику еще в 1952 году предложил замечательный американский астрофизик российского происхождения Отто Струве, ее долго считали малоперспективной, поскольку, по расчетам, наблюдатели из других звездных систем вряд ли смогли бы с его помощью обнаружить околосолнечные планеты. Экранирующее воздействие Земли на солнечный свет для них составило бы менее сотой доли процнта, и даже гигант Юпитер уменьшил бы видимый блеск Солнца всего лишь на пару процентов. Тем не менее, в последние годы этот метод прекрасно заработал как из-за появления все более чувствительных полупроводниковых фотометров, так и из-за массового открытия планет, отдаляющихся от своих звезд на довольно скромные дистанции (конечно, по меркам Солнечной системы).

Информация о возможном открытии спутника белого карлика транзитным методом была собрана в первую очередь благодаря американскому космическому телескопу TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite), который 18 апреля 2018 года был запущен с мыса Канаверал на высокоэллиптическую околоземную орбиту. С 18 июля по 14 августа 2019 года его широкопольные камеры надежно зафиксировали строго периодические изменения блеска белого карлика WD 1856+534, удаленного от Земли почти на 25 парсек (около 80 световых лет). Интересно, что система компьютерного поиска сигналов, свидетельствующих о возможной идентификации планет у звезд главной последовательности, не сочла эти данные достойными внимания и потому отбраковала. Авторы работы в Nature вышли на них в ходе визуального просмотра кандидатов на планетные транзиты белых карликов (еще одна иллюстрация роли везения в науке!). Это было не просто, поскольку из-за скромной разрешающей способности телескопа TESS им не удалось сразу выделить белый карлик на фоне нескольких ярких звезд, находящихся рядом с ним в поле зрения. Однако их насторожило, что продолжительность повторяющегося уменьшения блеска составила всего лишь 8 минут, в то время как у звезд главной последовательности она обычно превышает полчаса. Поэтому они 10 и 17 сентября 2019 года наблюдали тот же участок небосвода с помощью трех частных телескопов с лучшей разрешающей способностью. Наблюдения показали, что степень экранировки в максимуме доходит до 56% (вспомним два процента для Юпитера!). Это, в свою очередь, позволило предположить, что интересующая ученых звезда обладает очень малыми размерами, характерными для белых карликов. Получив такую информацию, они 22 октября повторили наблюдения на инфракрасном телескопе им. Карлоса Санчеса (Telescopio Carlos Sánches) с апертурой 152 сантиметра, находящимся в обсерватории Тейде на острове Тенерифе, и крупнейшем в мире 10,4 метровом Большом Канарском телескопе на острове Ла-Пальма. Результаты этих наблюдений были подкреплены данными с космического инфракрасного телескопа «Спитцер». Собранные сведения позволили с полной надежностью установить, что обнаружен транзит белого карлика WD 1856+534 несветящимся спутником юпитерианского масштаба.

Сам по себе этот карлик ничего особенного не представляет. При эффективной температуре поверхности около 4700 кельвинов он куда холоднее Солнца. Это означает, что он возник почти 6 миллиардов лет назад (то есть, задолго до возникновения Солнечной системы) и с тех пор успел изрядно остыть. Его масса приблизительно равна половине массы Солнца, а радиус где-то в 75 раз меньше солнечного и, следовательно, лишь на 40% больше земного. Правда, он не вполне обычен в том смысле, что входит в тройную систему, имея две нормальные звезды в качестве гравитационно-связанных компаньонов. Но это тоже не такое уж редкое явление в Большом Космосе.

Спутник карлика WD 1856+534, который авторы статьи обозначили WD 1856 b, пока известен похуже. Как и положено, он обращается по эллиптической орбите, причем, судя по всему, с небольшим эксцентриситетом. Длина большой полуоси этого эллипса составляет всего 0,02 солнечной единицы — иначе говоря, 3 миллиона километров. Это в 20 раз меньше среднего радиуса орбиты Меркурия. Радиус этого тела в 10,4 раза больше земного, так что по сравнению со своей звездой (речь идет, конечно, о белом карлике WD 1856+534) оно выглядит настоящим гигантом. Это и объясняет столь сильную экранировку света карлика, которую обнаружили Ванденбург и его коллеги.

К сожалению, масса планеты-спутника пока неизвестна. Для ее определения надо знать его радиальную скорость, а ее установить до сих пор не удалось. Эта скорость измеряется по доплеровскому сдвигу спектральных линий, который в данном случае не просматривается. Все дело в спектрах карлика как в оптическом диапазоне, так и в ближней инфракрасной зоне, которые, на беду наблюдателей, относятся к типу DC (рис. 2). Такие спектры практически непрерывны и, следовательно, не содержат заметных линий поглощения или испускания каких-либо атомов. За отсутствием четко выраженных линий доплеровские смещения очень трудно промерить с приемлемой точностью — во всяком случае, пока это не удалось. Не поможет делу и новооткрытый спутник белого карлика, который слишком холоден для доплеровской спектроскопии.

Рис. 2. Обобщенные результаты спектрального анализа излучения белого карлика WD 1856 в видимом и инфракрасном свете, выполненного четырьмя обсерваториями. Видно, что оптический спектр не содержит выраженных линий поглощения и тем самым принадлежат классу DC. Зубцы в правой части спектра, которая соответствует ближней инфракрасной зоне, вызваны рассеянием света при прохождении через земную атмосферу. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Тем не менее, кое-что ученым удалось сделать. Они сравнили результаты наблюдений экранировки карлика в видимом свете, выполненном с помощью фотометров гигантского телескопа на острове Ла-Пальма, с аналогичными наблюдениями в ближней инфракрасной зоне, сделанными 16 декабря 2019 года аппаратурой телескопа «Спитцер». Динамика изменения яркости в обоих диапазонах оказалась почти одинаковой, что хорошо видно на рис. 1. Отсюда следует, что поток теплового излучения сателлита составляет не более шести процентов потока самого карлика (на уровне доверия 95%). Столь тусклое тело может быть или гигантской планетой, или очень маломассивным коричневым карликом. Последующий анализ показал, что масса сателлита на том же 95%-м доверительном уровне не должна превышать 11,7 масс Юпитера. Эта оценка почти равна, но все же несколько ниже теоретической нижней границы масс коричневых карликов, и поэтому выбор в их пользу делается маловероятным. В общем, на основе имеющейся информации можно с достаточным основанием утверждать, что речь скорее всего идет именно о планете. Результаты этого анализа представлены на рис. 3.

Рис. 3. Возможная масса спутника белого карлика WD 1856 (вертикальная ось) в зависимости от возраста системы (горизонтальная ось). Указана ожидаемая плотность потока излучения (в мкЯн, μJy) от спутников разных масс. Серая область в верхней части графика исключается, поскольку телескоп «Спитцер» не зафиксировал достаточного излучения в инфракрасной части диапазона. Синим обозначена область допустимых значений массы и возраста спутника (чем темнее, тем более вероятно, что значения именно такие). Поскольку с возрастом коричневые карлики остывают и немного сжимаются, для более старых систем спутники могут быть более массивными. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Авторы статьи, конечно, не уклоняются от обсуждения происхождения WD 1856 b. При этом они рассматривают два сценария. Звезда-предшественник белого карлика перед своей гибелью была обязана превратиться в так называемый асимптотический красный гигант, раздувшийся примерно до размеров земной орбиты. Если у нее существовала планета, находящаяся на меньшей дистанции, она была полностью окутана внешней оболочкой гиганта. Оказавшись в окружении горячего газа, она лишилась бы выгоревших внешних слоев, но вполне могла сохранить свои внутренности. Двигаясь в газо-плазменном облаке, она тормозилась трением и приближалась к плотному ядру звезды, которое после сброса газовых оболочек и превратилось в белый карлик. После сброса планета вновь оказалась в свободном от газа пространстве, где и вышла на стабильную орбиту вокруг карлика. В противном случае (то есть, если бы сброс оболочки задержался) планета продолжала бы торможение и в конце концов столкнулась со звездным ядром в чудовищном катаклизме. При таком раскладе на долю земных астрономов не осталось бы выжившей пары из белого карлика и его спутника, поскольку сам спутник, будь то планета или коричневый карлик, был бы обречен на полное уничтожение.

Однако этот сценарий авторам статьи в Nature не импонирует. Проведенные ими модельные симуляции показывают, что полный сброс внешних оболочек красного гиганта с последующей стабилизацией орбиты спутника маловероятен в силу действия ряда динамических механизмов. Из тех же симуляций следует, что скорее всего звезда-предшественник обладала несколькими планетами на далеких орбитах. Хотя они остались в космическом вакууме и после ее превращения в красный гигант, их орбиты потеряли прежнюю устойчивость. В результате одна из этих планет (речь идет, конечно, о WD 1856 b) постепенно мигрировала на близкую к карлику траекторию, а остальные были выброшены в свободный полет по космическому пространству. Эта перестройка могла занять порядка миллиарда лет, что вполне согласуется с более чем солидным возрастом белого карлика.

Также ученые выражают уверенность, что новооткрытая пара станет предметом как тщательных наблюдений, так и детального теоретического моделирования. Они надеются, что после запуска космического инфракрасного телескопа имени Джеймса Уэбба о ней удастся собрать богатую информацию, которая позволит решить вопрос о природе и происхождении WD 1856 b. Поскольку запуск этого телескопа намечен на 31 октября 2021 года, ждать, возможно, осталось недолго.

Источник: Andrew Vanderburg et al. A giant planet candidate transiting a white dwarf // Nature. 2020. DOI: 10.1038/s41586-020-2713-y.

Алексей Левин