Решение загадки загрязнения звезд металлами

Мертвые звезды, известные как белые карлики, имеют массу, подобную Солнцу, но по размеру схожи с Землей. Они распространены в нашей галактике, так как 97% звезд — белые карлики. Когда звезды достигают конца своей жизни, их ядра схлопываются в плотный шар белого карлика, из-за чего наша галактика кажется эфирным кладбищем.

Несмотря на их распространенность, химический состав этих остатков звезд уже много лет остается загадкой для астрономов. Присутствие элементов тяжелых металлов, таких как кремний, магний и кальций, на поверхности многих из этих компактных объектов является загадочным открытием, которое бросает вызов нашим ожиданиям относительно поведения звезд.

«Мы знаем, что если эти тяжелые металлы присутствуют на поверхности белого карлика, белый карлик достаточно плотный, поэтому эти тяжелые металлы должны очень быстро опуститься к ядру», — объясняет аспирант JILA Тацуя Акиба. «Итак, вы не должны видеть никаких металлов на поверхности белого карлика, если белый карлик что-то активно не ест».

Хотя белые карлики могут поглощать различные близлежащие объекты, такие как кометы или астероиды (известные как планетезимали), тонкости этого процесса еще полностью не изучены. Однако такое поведение может стать ключом к разгадке тайны металлического состава белого карлика, что потенциально может привести к захватывающим открытиям о динамике белых карликов.

Результаты, опубликованные в новой статье в Письма Астрофизического журнала, Акиба вместе с научным сотрудником JILA и профессором астрофизических и планетарных наук Университета Колорадо в Боулдере Энн-Мари Мэдиган и студенткой бакалавриата Селой Макинтайр полагают, что они нашли причину, по которой эти звездные зомби поедают ближайшие планетезимали. Используя компьютерное моделирование, исследователи смоделировали белый карлик, получивший «натальный толчок» во время своего формирования (который наблюдался), вызванный асимметричной потерей массы, изменяющей его движение и динамику любого окружающего материала.

В 80% своих тестовых запусков исследователи наблюдали, что в результате удара орбиты комет и астероидов в диапазоне от 30 до 240 а.е. от белого карлика (что соответствует расстоянию Солнце-Нептун и далее) становились вытянутыми и выровненными. . Более того, около 40% впоследствии съеденных планетезималей происходят с орбит противоположного вращения (ретроградных).

Исследователи также расширили свое моделирование, чтобы изучить динамику белого карлика через 100 миллионов лет. Они обнаружили, что ближайшие планетезимали белого карлика по-прежнему имеют вытянутые орбиты и двигаются как единое целое, чего раньше никогда не наблюдалось.

«Я считаю, что это уникальное явление в нашей теории: мы можем объяснить, почему события аккреции настолько продолжительны», — заявляет Мэдиган. «Хотя другие механизмы могут объяснить первоначальное событие аккреции, наши симуляции с ударом показывают, почему он все еще происходит сотни миллионов лет спустя».

Эти результаты объясняют, почему тяжелые металлы обнаруживаются на поверхности белого карлика, поскольку этот белый карлик постоянно поглощает более мелкие объекты на своем пути.

Все дело в гравитации

Поскольку исследовательская группа Мэдигана в JILA занимается гравитационной динамикой, изучение гравитации, окружающей белые карлики, казалось естественным предметом изучения.

«Моделирование помогает нам понять динамику различных астрофизических объектов», — говорит Акиба. «Итак, в этой симуляции мы бросаем кучу астероидов и комет вокруг белого карлика, который значительно больше, и наблюдаем, как развивается симуляция и какие из этих астероидов и комет съедает белый карлик».

Исследователи надеются расширить свои симуляции в будущих проектах, изучая, как белые карлики взаимодействуют с более крупными планетами.

Как уточняет Акиба: «Другие исследования показали, что астероиды и кометы, небольшие тела, могут быть не единственным источником загрязнения металлами на поверхности белого карлика. Таким образом, белые карлики могут съесть что-то большее, например, планету».

Узнайте больше о формировании Солнечной системы

Эти новые результаты позволяют больше узнать об образовании белых карликов, что важно для понимания того, как солнечные системы меняются на протяжении миллионов лет. Они также помогают пролить свет на происхождение и будущую эволюцию нашей Солнечной системы, раскрывая больше о связанной с ней химии.

«Подавляющее большинство планет во Вселенной в конечном итоге окажется на орбите белого карлика», — говорит Мэдиган. «Может случиться так, что 50% этих систем будут съедены своей звездой, включая нашу собственную Солнечную систему. Теперь у нас есть механизм, объясняющий, почему это произойдет».

«Планетезимали могут дать нам представление о других солнечных системах и составе планет за пределами нашего солнечного региона», — добавляет Макинтайр. «Белые карлики — это не просто линза в прошлое. Они также своего рода линза в будущее».