В популярной астрономии долгое время существовал парадокс: если большинство звёзд рождаются парами, а у большинства звёзд есть планеты, то миров, обращающихся сразу вокруг двух светил, должно быть много. Но наблюдения упрямо говорят об обратном. Новое исследование наконец-то объясняет, куда они пропали.
Астрономы знают: звёзды часто появляются на свет не поодиночке, а в тесных парах — бинарных системах. Не менее хорошо известно и другое: планеты — скорее правило, чем исключение. Казалось бы, сложите эти два факта, и Вселенная должна кишеть планетами, вращающимися вокруг сразу двух солнц. Такие миры называют циркумбинарными планетами.
Однако реальность оказалась удивительно скромной. Из более чем 6 000 подтверждённых экзопланет лишь 14 обнаружены в системах с двумя звёздами. Эта загадка не давала покоя учёным больше десяти лет: ни теории формирования планет, ни ограничения телескопов не могли убедительно объяснить столь разительный дефицит.
Где же все планеты?
Новое исследование проливает свет на эту космическую пропажу. Оказывается, многие циркумбинарные планеты действительно формируются — но затем гибнут или выбрасываются из системы по мере того, как сами звёзды медленно меняют свои орбиты. И ключевую роль в этом процессе играет… общая теория относительности Эйнштейна.
Учёные сосредоточились на так называемых тесных двойных звёздах — парах, которые обращаются друг вокруг друга всего за несколько дней, иногда менее чем за неделю. Именно такие системы в большом количестве наблюдали миссии NASA Kepler и TESS.
Как отмечает ведущий автор работы Мохаммад Фархат из Калифорнийского университета в Беркли, вокруг таких звёзд наблюдается буквально «планетная пустыня»: при орбитальных периодах пары менее семи дней планеты практически не встречаются.
Ожидания против реальности
Один только телескоп Kepler обнаружил около 3 000 затменных двойных систем, где звёзды регулярно проходят друг перед другом. Если бы статистика была такой же, как у одиночных звёзд (примерно у 10 % из них есть крупные планеты), астрономы ожидали бы увидеть около 300 циркумбинарных планет.
На деле нашлось лишь 47 кандидатов — и всего 14 из них удалось подтвердить. Откуда такая пропасть между ожиданиями и реальностью? Ответ скрывается в тонкой динамике орбит.
Когда гравитация выходит из ритма
В бинарной системе две звезды обычно немного различаются по массе и движутся по вытянутым, эллиптическим орбитам. Планета, обращающаяся вокруг них обеих, постоянно ощущает меняющееся притяжение. В результате её орбита медленно поворачивается в пространстве — это явление называется прецессией и хорошо описывается ньютоновской механикой.
Но и сами звёзды тоже испытывают прецессию своей орбиты. Когда они находятся достаточно близко друг к другу, главным «двигателем» этого эффекта становится уже общая теория относительности. Со временем приливные силы и взаимодействие с окружающим веществом заставляют звёздную пару медленно сближаться — процесс может длиться миллионы и даже миллиарды лет.
По мере сжатия орбиты relativистская прецессия звёзд ускоряется, а прецессия планеты, напротив, замедляется: издалека звёзды всё больше ведут себя как единый массивный объект.
Роковой резонанс
В какой-то момент скорости этих двух прецессий совпадают. Возникает орбитальный резонанс, который радикально меняет судьбу планеты: её орбита вытягивается, превращаясь в узкий и длинный эллипс. При каждом обороте планета ныряет всё ближе к звёздам — пока не попадает в зону динамической нестабильности, где гравитация трёх тел становится хаотичной.
Дальше возможны два сценария. Либо планета подходит слишком близко и разрушается приливными силами или поглощается одной из звёзд, либо её орбиту так сильно «пинает» двойная система, что она навсегда покидает родной дом. В обоих случаях планета исчезает.
Компьютерное моделирование показывает, что таким образом уничтожается около 80 % планет, обращающихся вокруг тесных двойных звёзд, причём большинство из них гибнет физически, а не просто улетает прочь.
Почему мы всё-таки видим выживших
Интересно, что немногие уцелевшие циркумбинарные планеты обнаруживаются прямо за границей нестабильной зоны — достаточно близко, чтобы их можно было заметить, но достаточно далеко, чтобы избежать катастрофы. Это аккуратно объясняет наблюдаемую картину без привлечения экзотических допущений.
Главный вывод исследования прост и неожиданен: Вселенная не испытывает дефицита планет у двойных звёзд — она их активно «вычищает». Многие такие миры, вероятно, всё ещё существуют, но на очень дальних орбитах, где современные методы обнаружения почти бессильны.
Как подчёркивает соавтор работы, профессор физики Американского университета Бейрута Джихад Тума, планеты наверняка есть — просто мы пока не умеем их хорошо видеть.
Почти сто лет назад теория относительности помогла объяснить странности орбиты Меркурия. Теперь она вновь меняет наше понимание движения планет — показывая, почему некоторые из них не доживают до того момента, когда их может заметить астроном.
Исследование опубликовано в журнале The Astrophysical Journal Letters.
