Ο σχηματισμός γήινων πλανητών στα δυαδικά συστήματα άστρων

Πηγή: PhysOrg, 27 Ιανουαρίου 2007

Ο κατάλογος των επιβεβαιωμένων εξωηλιακών πλανητών συνεχίζει να αυξάνει, και έχει περάσει τώρα τα διακόσια μέλη - σχεδόν όλοι τους είναι γίγαντες αερίου όπως ο Δίας και ο Κρόνος. Αλλά το κυνήγι είναι ανοικτό για τους  κόσμους σαν τη Γη! Μετά την επιτυχή εκτόξευση του δορυφόρου CoRoT της Γαλλίας (στις 27 Δεκεμβρίου 2006) και την προγραμματισμένη αποστολή Kepler της NASA κατά τον Οκτώβριο του2008, στα πέντε επόμενα χρόνια πρέπει να ανιχνεύσουν πολυάριθμους γήινους πλανήτες γύρω από τα απόμακρα αστέρια. Όμως σε ποιά αστέρια θα έπρεπε να στοχεύσουν αυτά τα τηλεσκόπια; Μια πρόσφατη έρευνα έχει δείξει ότι αυτοί οι πλανήτες είναι πιθανώς αρκετά κοινοί, και μπορεί ακόμη και να σχηματιστούν σε δυαδικά συστήματα άστρων.

Το επιστημονικό ενδιαφέρον για τη φυσική του σχηματισμού πλανητών είναι σε όλες τις εποχές πολύ υψηλό. Οι αστρονόμοι και οι φυσικοί έχουν επιτύχει μια συναίνεση για την θεωρία πίσω από τον σχηματισμό, ή τουλάχιστον μια περίληψη της. Ένα αστέρι γεννιέται από ένα τεράστιο νέφος αερίου και σκόνης, το οποίο αργά συμπυκνώνεται και θερμαίνεται μέσω της δράσης της βαρύτητας. Μερικά από το νέφη πέφτουν προς το κέντρο, όπου σχηματίζεται μια καυτή, πυκνή σφαίρα του αερίου,  που τελικά θα γίνει το αστέρι. Το υπόλοιπο τμήμα του νέφους είναι σε τροχιά γύρω από το κέντρο, που συμπιέζεται και πλαταίνει φτιάχνοντας έτσι έναν πρωτοπλανητικό δίσκο.

Μικροσκοπικοί κόκκοι από βράχο και πάγο κολλούν το ένα στο άλλο καθώς στρέφονται μέσα στο δίσκο, που τελικά αυξάνονται σχηματίζοντας τους πρωτοπλανήτες ή planetesimals - μικρά κομμάτια βράχου και πάγου παρόμοιων με τους αστεροειδείς και τους κομήτες. Σε αυτό το σημείο η βαρύτητα επιταχύνει αρκετά τη διαδικασία του σχηματισμού των πλανητών. Οι βραχώδεις πλανήτες σχηματίζονται κοντά στο νεογέννητο αστέρι, όπου η ακτινοβόλος θερμότητα του αποτρέπει να σχηματιστεί ο πάγος. Οι παγωμένοι πλανήτες σχηματίζονται στις ψυχρές εξωτερικές περιοχές, αλλά είναι πολύ μεγαλύτεροι και γρήγορα μετατρέπονται σε γίγαντες πλανήτες αερίου.

Θεωρείται ότι σχεδόν όλα τα αστέρια γεννιούνται σε έναν πρωτοπλανητικό δίσκο - το ζήτημα είναι κάτω από ποιες περιστάσεις αυτοί οι δίσκοι διαμορφώνουν  κανονικούς πλανήτες αντί μια μάζα από μπάζα. Η μέθοδος της επιλογής είναι αριθμητικές προσομοιώσεις, οι οποίες μπορούν να ακολουθήσουν την εξέλιξη ενός δίσκου με τη μοντελοποίηση της δυναμικής του αερίου του (στα αρχικά στάδια του σχηματισμού των πλανητών) ή τις βαρυτικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των planetesimals (στα μεταγενέστερα στάδια). Τέτοια έρευνα έχει δείξει ότι πρέπει σχεδόν πάντα να σχηματιστούν οι πλανήτες, τουλάχιστον γύρω από ένα μεμονωμένο αστέρι όπως ο ήλιος μας.

Φυσικά, ο σχηματισμός των αστεριών είναι ακόμα πιο περίπλοκη επιχείρηση.

Κάθε κύκλος σε αυτό το σχεδιάγραμμα αντιπροσωπεύει έναν μόνο προσομοιούμενο πλανήτη. Ο οριζόντιος άξονας δίνει την ακτίνα της τροχιάς του σε αστρονομικές μονάδες (Au ή η απόσταση της Γης από τον ήλιο), και ο κάθετος άξονας δίνει την εκκεντρικότητα της τροχιάς (το μηδέν είναι ένας τέλειος κύκλος). Οι γεμάτοι πράσινοι κύκλοι αντιπροσωπεύουν τους βραχώδεις πλανήτες μας: Ερμής, Αφροδίτη, Γη, και Άρης. Η γκρίζα ζώνη δείχνει την κατοικήσιμη ζώνη του ηλιακού συστήματος. Η κάτω εικόνα παρουσιάζει πλανήτες από προσομοιώσεις όπου η πιο στενή προσέγγιση μεταξύ των αστεριών είναι 10 Au (περίπου ίση με την απόσταση του Κρόνου από τον ήλιο). Ο εσωτερικός δίσκος δεν έχει κάνει παραχωρήσεις. Πολλοί πλανήτες σχηματίζονται μέσα και γύρω από την κατοικήσιμη ζώνη. Στο πάνω σχήμα το συνοδευτικό άστρο κόβει αυτήν την απόσταση στο μισό, και ο σχηματισμός των πλανητών στην κατοικήσιμη ζώνη δεν είναι πλέον πιθανός.

Τα αστέρια σπάνια, ή και ποτέ, σχηματίζονται μεμονωμένα. Συχνότερα, ένα γιγαντιαίο μοριακό σύννεφο θα δημιουργήσει δωδεκάδες ή εκατοντάδες αστέρια σε σχετικά στενή απόσταση. Τα συστήματα δυαδικών αστεριών, που αποτελούνται από δύο αστέρια σε τροχιά γύρω από το αμοιβαίο κέντρο βάρους τους, είναι πραγματικά εξίσου συνηθισμένα όπως τα μεμονωμένα. Τα αστέρια με το μέγεθος του ήλιού μας, σχηματίζονται περίπου κατά 50% στα δυαδικά συστήματα.

Στην αναζήτηση άλλων κόσμων (πλανητών) όπως ο δικός μας, μήπως θα έπρεπε να περιοριστούμε στα αστέρια όπως το δικό μας; Πρέπει να αποκόψουμε τα μισά συστήματα (τα διπλά δηλαδή) προτού να αρχίσουμε; Μπορούν τα δυαδικά αστέρια να φιλοξενήσουν πλανήτες σαν τη Γη επίσης;

Η απάντηση, φυσικά, είναι ότι εξαρτάται από το σύστημα. Σε γενικές γραμμές, πρέπει να είναι δυνατές οι σταθερές τροχιές για τους πλανήτες που είναι πάντα πολύ πιο κοντά σε ένα αστέρι από τους υπόλοιπους. Αλλά ο διάβολος κρύβεται στις λεπτομέρειες - εάν οι επιστήμονες πρόκειται να ξοδέψουν τον πολύτιμο χρόνο των τηλεσκοπίων στα δυαδικά αστέρια, πρέπει να ξέρουν για τι ψάχνουν. Πόσο κοντά μπορούν να είναι δύο αστέρια το ένα στο άλλο για να σχηματίζουν ακόμα πλανήτες; Και ακόμα αν σχηματίζονται πλανήτες, μπορούν οι τροχιές τους να παραμείνουν σταθερός κατά τη διάρκεια δισεκατομμυρίων ετών;

Μια συνεργασία επιστημόνων από το ερευνητικό κέντρο Ames της NASA (Elisa Quintana, Jack Lissauer), το πανεπιστήμιο του Μίτσιγκαν (Fred Adams), και το Ίδρυμα Carnegie της Ουάσιγκτον (John Chambers) προσπάθησε να απαντήσει σε αυτές τις ερωτήσεις. Τα σύγχρονα τηλεσκόπια μπορούν να μετρήσουν τις τροχιακές παραμέτρους των δυαδικών αστεριών με αρκετή ακρίβεια, έτσι έχει νόημα να ρωτήσουμε πρώτα ποιά είδη αστρικών συστημάτων θα συντηρήσουν την ενδότατη περιοχή του πρωτοπλανητικού δίσκου.

Οι προσομοιώσεις της Quintana και των συνάδελφων της είναι αρκετά απλές. Μετά την επιλογή των μαζών και των τροχιακών παραμέτρων των δύο αστεριών, εμφανίστηκαν 140 planetesimals (με μάζα το 1% της μάζας της Γης) και πλανητικά έμβρυα (με μάζα το 10% της μάζας της Γης) να τακτοποιούνται γύρω από το ένα από τα αστέρια, έτσι ώστε η συνολική κατανομή της μάζας τους να μοιάζει με αυτή ενός πρωτοπλανητικού δίσκου. "Ο δίσκος διαμορφώθηκε στα υπολογιστικά μοντέλα μετά από το ηλιακό νεφέλωμα", εξηγεί η Quintana, "εμείς συγκρίνουμε τη διαδικασία του σχηματισμού των πλανητών σε αυτά τα δυαδικά συστήματα με τα μοντέλα του ηλιακού συστήματος." Με άλλα λόγια, προσπαθούν να ανακαλύψουν με τι μπορεί να έμοιαζε το ηλιακό σύστημά μας εάν ο ήλιος μας ήταν μέλος ενός δυαδικού συστήματος.

Η προσομοίωση υπολογίζει τη δύναμη της βαρύτητας μεταξύ κάθε ζεύγους αντικειμένων και ακολούθως υπολογίζει τις θέσεις τους κάθε εβδομάδα. Όταν δύο αντικείμενα συγκρούονται, τότε εάν οι ταχύτητές τους δεν είναι πάρα πολύ υψηλές, κολλούν μαζί κάνοντας ένα σώμα μεγαλύτερης μάζας. Τελικά, το σύστημα διαμορφώνει μια χούφτα σταθερών, μεγάλων πλανητών παρόμοιων με το εσωτερικό ηλιακό σύστημα.

"Κάθε προσομοίωση διαρκεί περίπου 3 - 4 εβδομάδες", λέει η Quintana. "Το διάστημα αυτό αντιστοιχεί σε 100 - 200 εκατομμύρια έτη προσομοιούμενου χρόνου". Όλες δε οι προσομοιώσεις τους σχηματίζουν τουλάχιστον έναν πλανήτη, ένα ενθαρρυντικό αποτέλεσμα. Βγάζει έτσι ότι ο σημαντικότερος παράγοντας είναι το περίαστρον του συνοδού άστρου (το σημείο της πιο στενής προσέγγισης του άστρου με το δίσκο).

"Πάνω από τα μισά από τα δυαδικά συστήματα στις αστρονομικές έρευνες είναι αρκετά πλατιά που επιτρέπουν το σχηματισμό πλανητών στην κατοικήσιμη ζώνη των άστρων σαν τον ήλιο μας",  ολοκληρώνει η Quintana. Έτσι, αυτά τα μέρη επεκτείνουν σημαντικά τον κατάλογο των άστρων που έχουν ενδιαφέρον.

Μια άλλη ανοικτή ερώτηση είναι εάν τα παγωμένα planetesimals, που σχηματίζονται κανονικά πέρα από 5 Au, μπορούν να φθάσουν στον εσωτερικό δίσκο για να παραδώσουν νερό στους βραχώδεις κόσμους. "Είναι πολύ δύσκολο", αναγνωρίζει η Quintana, "αλλά υπάρχουν πολλά σενάρια για το αν υπάρχουν κατοικήσιμοι πλανήτες στα συστήματα δυαδικών αστεριών." Το μεγαλύτερο μέρος του δίσκου δεν αντιμετωπίζεται σε αυτές τις προσομοιώσεις, και θα μπορούσε να υπάρξει άφθονος χώρος γύρω τους ή μεταξύ των δύο αστεριών για να σχηματιστούν κομήτες ή ακόμη και γίγαντες αερίου. Το νερό πιθανώς ακόμα θα είναι διαθέσιμο, αλλά πάρα πολύ σύντομα αυτή θα υπολογίσει πόσο από αυτό μπορεί να φθάσει σε αυτούς τους κόσμους.

Οι φυσικές προσομοιώσεις του σχηματισμού των πλανητών έχουν τη δυνατότητα να απαντήσουν σε αυτές τις ερωτήσεις και ακόμα περισσότερα. Ώσπου να αρχίσουν οι Kepler και CoRoT να βρίσκουν κόσμους σαν τη Γη, αυτή η γραμμή έρευνας (προσομοιώσεις) πρέπει να μας έχει δώσει μια καλή ιδέα για το τι να αναμένουμε.