Источник фото: NASA’s Goddard Space Flight Center/Scott Wiessinger
Белые карлики представляют собой остатки звёзд, похожих на Солнце. По размерам они сопоставимы с Землёй, но при этом обладают колоссальной плотностью и массой, близкой к солнечной. Из-за этого их гравитация огромна и способна разрывать объекты, которые подходят слишком близко.
Долгое время белые карлики считались одиночными объектами в космосе. Позже наблюдения показали, что поверхность некоторых из них загрязнена металлами. Астрономы предположили, что эти металлы выпадают на поверхность из каменистых обломков, а затем были обнаружены белые карлики, окружённые дисками обломков. Ещё более точные наблюдения выявили в таких дисках признаки каменистых тел — небольших планет, лун или астероидов.
Один из примеров — WD 1145+017, вокруг которого, судя по всему, обращается несколько небольших каменистых тел. Эти тела разрушаются, и их обломки выпадают на поверхность белого карлика. Учёные хотят понять, насколько эффективно белые карлики измельчают меньшие тела и формируют диски обломков, и по мере новых находок объяснения должны успевать за наблюдениями.
В новом исследовании, опубликованном в The Astrophysical Journal Letters, специалисты изучили, насколько эффективно приливные силы белого карлика разрывают астероиды. Работа получила название «Size Limits on Tidal Debris around White Dwarfs: The Kilometer-size Barrier» («Пределы размеров приливных обломков вокруг белых карликов: километровый барьер»). Ведущий автор — Джордан К. Стеклофф, старший научный сотрудник Планетологического научного института.
Авторы отмечают, что компактные диски планетных обломков на орбитах вокруг белых карликов дают важное окно в понимание эволюционировавших планетных систем. Формирование таких дисков часто моделировали через приливное разрушение малых планет, которые представляют собой груды обломков без внутренней прочности. Однако у реальных груд обломков есть некоторая связность, а все три изученных астероида — Итокава, Рюгу и Бенну — относятся именно к таким телам. Их удерживает сила Ван-дер-Ваальса — слабое короткодействующее взаимодействие, которое притягивает и отталкивает атомы и молекулы, но, как показывают лапки геккона, может быть весьма эффективным.
Стеклофф и соавторы показали, что происходит, если учесть эту прочность в моделировании. По их словам, разрушение таких груд обломков задаёт максимальный размер фрагментов, и этот размер рассчитан для водяного льда, железа и материалов с плотностью, соответствующей лунным нагорьям, Весте и Земле. «Ничто не является по-настоящему бес прочным», — сказал Стеклофф, пояснив, что крошечные притяжения между зёрнами дают кометам и астероидам минимальную прочность в 10–100 раз слабее, чем нужно, чтобы разорвать свежевыпавший снег. Типичная внутренняя прочность груды обломков составляет около 10–1000 Па, что примерно в миллион раз слабее твёрдой породы, и в этом диапазоне максимальный размер фрагментов близок к небольшим астероидам — от 0,1 до 1 км в диаметре. Этот предел, названный километровым барьером, соответствует характерным размерам приливных фрагментов, и в обломках такого размера заключена большая часть их массы.
Авторы заключают, что моделям формирования дисков вокруг белых карликов нужно учитывать ещё один фактор образования пыли, чтобы объяснить пыльные диски в наблюдениях, и речь, вероятно, идёт о столкновениях, а не о приливных силах. Конечное состояние диска определяет эффект Пойнтинга — Робертсона, объясняющий, как излучение звезды заставляет пылинки двигаться по спирали внутрь, но это работает лишь при достаточно малых размерах пыли, а само дробление таких мелких частиц не создаёт. Наблюдения в Солнечной системе это подтверждают: в 1992 году мощная приливная сила Юпитера разорвала комету Шумейкеров — Леви 9, но не в пыль, а на фрагменты диаметром от 100 до 1000 метров, которые затем упали на планету. Исследование также показывает, что фрагменты сохраняют свои орбиты, меняя скорость лишь на ничтожные доли — от одной миллионной до одной стомиллионной, что почти не сказывается на их траекториях. «Понимание того, как целая малая планета превращается в море пыли, которая выпадает на белый карлик, остаётся серьёзной задачей», — пишут авторы, отмечая, что их работа задаёт жёсткое ограничение на первый шаг этого процесса и доказывает необходимость некоего процесса измельчения вроде столкновений. Соавтор исследования Кэт Волк из Планетологического научного института добавила, что понимание того, как образуются и эволюционируют обломки вокруг белых карликов, важно для осмысления наблюдений и поможет понять, что происходит с малыми телами на орбите звезды на последних этапах её жизни.