Проблема трех тел получила новое решение благодаря Эйнштейну

Физики не перестают восхищаться красотой общей теории относительности – описания гравитации Эйнштейном как искривления пространства-времени. Теория последовательно помогает совершать прорывы в астрофизике, и когда ученые сталкиваются с космическими загадками, они обращаются к ней за ответами.

Одна из таких загадок, описанная в недавней статье в The Astrophysical Journal Letters, касается циркумбинарных экзопланет – точнее, их дефицита среди более чем 6000 подтвержденных на сегодня планет. Подобно Татуину из оригинальных "Звездных войн", циркумбинарные экзопланеты вращаются вокруг пары звезд, а не одной.

Согласно новому исследованию, нехватка таких планет вокруг тесных двойных систем – где две звезды находятся относительно близко друг к другу – частично объясняется эффектами общей теории относительности на взаимодействия трех тел между двумя звездами и планетой. Сложный гравитационный профиль в итоге приводит к гибели планеты или её выбросу с орбиты.

В поисках двойных закатов

Астрономы предполагали, что двойные звезды не должны сильно уступать одиночным в формировании крупных экзопланет – около 10% одиночных звезд имеют такие планеты. Однако удержать эти планеты оказывается совсем другой задачей, так как сформировавшиеся объекты не всегда остаются стабильными в долгосрочной перспективе. Новое исследование задалось вопросом, почему так происходит и какие силы удаляют или дестабилизируют планеты со временем.

Космический телескоп Kepler обнаружил около 3000 двойных звездных систем. Но из этих 3000 астрономы смогли найти только 47 кандидатов в циркумбинарные планеты методом транзитов, из которых лишь 14 получили реальное подтверждение.

Мохаммад Фархат, ведущий автор исследования и постдокторант Калифорнийского университета в Беркли, заявил:

Наблюдается общая нехватка циркумбинарных планет, а вокруг двойных систем с орбитальными периодами семь дней или меньше – абсолютная пустыня.

Вместе со своим коллегой Джихадом Тума, физиком из Американского университета Бейрута в Ливане, Фархат обратился к проверенному инструменту – общей теории относительности. Исследование стремилось выяснить, объясняется ли кажущаяся нехватка экзопланет вокруг двойных систем технологическими ограничениями или чем-то другим, например, воздействием сильных орбитальных эффектов, удаляющих планетоподобные объекты со временем.

Исследователи провели математический анализ для оценки последствий релятивистских сил вокруг двойных систем. Общая теория относительности предложила интригующие ответы. В частности, ученые изучили, как она может влиять на орбиты тесных двойных систем, постепенно смещая их ориентацию и изменяя долгосрочную гравитационную среду.

В двойных системах звезды колеблются ближе друг к другу на протяжении десятков миллионов лет, а их орбитальные параметры постепенно смещаются и сжимаются. Когда в игру вступает планета – или даже зачатки формирующейся планетезимали – её орбита вытягивается в тонкий овал, делая ближайшее и дальнее расстояние от звезды еще более экстремальными.

И на этом пути планета встречает зону нестабильности вокруг двойных систем, где включаются эффекты трех тел и гравитационно очищают зону.

Это может означать одно из двух – либо планета подлетает слишком близко к звездам и разрывается ими, либо улетает слишком далеко и покидает систему полностью.

С другой стороны, возможно, методы обнаружения экзопланет просто недостаточно чувствительны. Но если предположить, что неоткрытые аналоги Татуина существуют, последний анализ объясняет, почему их так сложно найти. Те 14 циркумбинарных экзопланет, о которых мы знаем – просто очень удачные находки.

Фархат и Тума теперь задаются вопросом, может ли аналогичный подход пролить свет на то, как релятивистские эффекты влияют на другие необъяснимые экстремальные космические явления.