3D-моделирование показало, как магнитное поле звезды спасает планеты от падения

Астрофизики из МФТИ, Института прикладной математики им. М. В. Келдыша РАН и США выяснили, что магнитосфера молодой звезды способна кардинально изменить движение формирующихся планет и даже остановить их падение на звезду. Результаты трехмерного магнитогидродинамического моделирования опубликованы в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Когда молодая планета только возникает внутри протопланетного диска, она начинает активно взаимодействовать с окружающим газом. Это взаимодействие создает своеобразное «трение», из-за которого планета постепенно теряет орбитальный момент и дрейфует к звезде. Такой процесс называют миграцией первого типа.

Для астрофизиков он давно оставался серьезной проблемой. Расчеты показывали, что молодые планеты должны слишком быстро падать на звезды. Однако наблюдения говорят об обратном: планетные системы существуют повсеместно, а многие экзопланеты находятся очень близко к своим светилам, не разрушаясь.

Новая работа показывает, что ключевую роль в этой истории играет магнитное поле самой звезды.

Молодые звезды типа Т Тельца обладают магнитными полями, которые в тысячи раз сильнее солнечного. Такое поле буквально выталкивает газ из ближайших областей вокруг звезды и формирует пустую область — магнетосферную каверну. Именно она может стать своеобразной «ловушкой» для мигрирующих планет.

Исследователи построили детальную трехмерную модель системы «звезда — магнитосфера — аккреционный диск — планета». В отличие от прежних двумерных моделей, новая симуляция учитывала сложную структуру магнитного поля, неустойчивые потоки вещества и изменение орбитальных параметров планеты в реальном времени.

Расчеты показали, что планета, попавшая внутрь магнитной полости, постепенно замедляет движение к звезде и может остановиться задолго до столкновения.

Даже если планета еще не вошла в каверну, магнитное поле звезды все равно влияет на ее судьбу. Магнитосфера возбуждает в диске волны плотности и изгибные волны, которые изменяют распределение вещества и воздействуют на орбиту планеты. В результате миграция может остановиться значительно дальше от звезды, чем предсказывали прежние модели.

Особенно интересным оказался режим нестабильной аккреции. В такие моменты горячие потоки газа проникают через магнитосферу в виде узких «языков». Они могут резко ускорить движение планеты, но лишь до ближайшей устойчивой области, где миграция снова тормозится.

Отдельный сценарий возникает на границе магнетосферной полости. Газ по разные стороны орбиты движется с разной скоростью, и это заставляет планету фактически «прилипать» к границе каверны и двигаться вместе с ней.

Исследователи также рассмотрели случай наклонных орбит — когда плоскость движения планеты не совпадает с плоскостью диска. В этой конфигурации начинает работать механизм Козаи—Лидова, известный в небесной механике. Он увеличивает вытянутость орбиты, периодически подводя планету гораздо ближе к звезде.

Сегодня астрономам известно уже более пяти тысяч экзопланет, среди которых особенно много так называемых горячих юпитеров — гигантов, обращающихся вокруг своих звезд всего за несколько дней. Стандартные модели миграции предсказывали, что такие объекты должны быстро упасть на звезду. Новые расчеты предлагают решение этой проблемы.

Оказалось, что магнитосфера молодой звезды создает сразу несколько механизмов торможения миграции. В зависимости от параметров системы планета может задержаться на разных этапах своего движения и избежать падения.

«Трехмерное моделирование позволило увидеть процессы, которые невозможно было корректно описать в плоских моделях. Магнитосфера постоянно перестраивает структуру диска и запускает сложную систему обратных связей между звездой, газом и планетой», — отметил Александр Колдоба, заведующий кафедрой моделирования и технологий разработки нефтяных месторождений Физтех-школы прикладной математики и информатики МФТИ.

По словам исследователей, архитектура любой планетной системы может хранить следы магнитного поля звезды на ранних этапах ее эволюции.

Следующий шаг — сравнение результатов моделирования с наблюдениями космического телескопа «Джеймс Уэбб», который уже позволяет изучать молодые звездные системы с беспрецедентной детализацией.

Источник: 3D-моделирование открыло новые механизмы торможения миграции планет — За науку