Vznik planet ve dvojhvězdných systémech

Pod pojmem planetární systém si většina z nás představuje centrální hvězdu a planety, které kolem ní krouží na víceméně stabilních drahách. Co se stane, když planeta vzniká v extrémních podmínkách?

Planety obíhající dvojhvězdu

Jak mohou vůbec vzniknout planety v dynamickém prostředí a v (na první pohled) nevhodných podmínkách - například ve dvojhvězdném systému?

Běžná planetární soustava, ve které se nachází jen jedna hvězda, má jednoduchý vývoj. Gravitace centrální hvězdy poskytuje relativně stabilní prostředí pro tvorbu planetárních disků a následnou akreci planet. V případě dvojhvězd je situace mnohem složitější.

Do hry vstupují například gravitační poruchy – pokud se dvě hvězdy pohybují po velmi protáhlých drahách, jejichž excentricita může klidně dosahovat hodnot až 0,8 (na rozdíl od Slunce a Jupitera, kde dosahuje jen hodnoty 0,048). To musí samozřejmě způsobovat značnou dynamiku gravitačního pole. Ta následně ovlivňuje materiál v protoplanetárním disku. Silné slapové síly mohou způsobit rozpad už hotových protoplanet nebo přenos materiálu z jedné oblasti disku do jiné.
To způsobuje, že stabilní oběžné dráhy mohou existovat pouze v určitých oblastech, obvykle ve větších vzdálenostech od hlavní hvězdy, zatímco oblasti, které jsou oběma hvězdám blíže, jsou dynamicky nestabilní. Přibližně 60 % planet v těchto systémech v počítačových simulacích během 100 000 roků takové systémy opouští a vydává se na osamělou cestu vesmírem.

Formování planet

V simulacích se také ukazuje, že se v nestabilním prostředí s několika hvězdami musí planety formovat daleko rychleji - pokud chtějí přežít.

U dvojhvězd s vysokou excentricitou může trvat například doba, po kterou je protoplanetární disk dostatečně stabilní pro tvorbu planet, pouze 1 - 5 milionů roků, což je výrazně kratší než v jednohvězdných systémech, kde mají planety k dispozici delší dobu - až 10 milionů roků. Výpočty ukazují, že pokud je doba formování delší než 3 miliony roků, planeta má pouze 10 % šanci na přežití.

Vliv dvojhvězdy

Přítomnost druhé hvězdy může způsobit deformaci nebo dokonce úplnou zkázu disku, ze kterého se mají později formovat planety. Simulace ukazují, že v extrémních případech může dojít ke ztrátě až 90 % původního materiálu disku. Materiál se přitom přesouvá do (pro život nevhodných) vzdáleností od centrálních hvězd (>50 astronomických jednotek) nebo může být gravitačními silami dokonce rovnou vyhozen do mezihvězdného prostoru.

Planety u dvojhvězd

Přesto našli astronomové v dvojhvězdných systémech různé planety. Zdá se, že za určitých podmínek mohou planety existovat i v takových soustavách. Vědci odhadují, že jejich dráhy mohou být stabilizovány hned několika způsoby.

Jedním z nich je tzv. rezonanční ochrana. V těchto systémech se planety pohybují tak, že se doba jejich oběhu vzájemně synchronizuje v různých poměrech (například 3:2 nebo 2:1).

Jinou variantou je migrace planet. Pozorování naznačují, že planety v těchto systémech často vznikají za tzv. sněžnou čarou (u našeho vlastního systému se tato hranice nachází přibližně ve vzdálenosti 5 astronomických jednotek od Slunce) a postupně pak migrují do vnitřního systému. Modely naznačují, že 40–50 % planet se přesune na stabilní dráhy v rozmezí 0,5–2 astronomické jednotky.
Pozitivní vliv má také rychlé formování planet. Pokud se planetární jádra vytvoří rychle (během 1 milionu roků), mohou uniknout destrukci. Zformovala se totiž dříve, než nastane nestabilní fáze vývoje systému. Výpočty ukazují, že má v tomto případě protoplaneta o hmotnosti 10 násobku Země přibližně 70 % šanci na přežití.
Kupodivu se může stát dalším faktorem, který stabilizuje dráhu planety, také přítomnost třetí hvězdy. Zdá se dokonce, že v těchto případech je statisticky pravděpodobnější, že planety zůstávají na stabilních orbitách po dobu delší než 1 miliarda roků.

Příklad dvojhvězdného systému s planetami

Jako příklad může posloužit binární hvězdný systém TOI 4633.

Nachází se ve vzdálenosti přibližně 309 světelných roků od Slunce. Skládá se ze dvou hvězd podobných Slunci, označovaných jako TOI 4633 A a TOI 4633 B. Hlavní složka, TOI 4633 A, je žlutý trpaslík s hmotností přibližně 1,10 hmotnosti Slunce a poloměrem 1,05 násobku slunečního poloměru. Teplota této hvězdy je kolem 5800 K. Detaily o vlastnostech druhé složky dvojhvězdy nejsou známy, popisuje se ale také jako Slunci podobná hvězda. Systém by měl být starý přibližně 1,3 ± 0,3 miliardy roků, což platí pro obě hvězdy.
V roce 2024 byla v tomto systému objevena exoplaneta TOI 4633 c. Tato planeta byla identifikována díky úsilí amatérských astronomů zapojených do projektu Planet Hunters TESS, kteří analyzovali data z družice Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS).

TOI 4633 c je plynný obr s hmotností přibližně 0,387 hmotnosti Jupitera a poloměrem okolo 3,2 násobku poloměru Země. Obíhá kolem své mateřské hvězdy ve vzdálenosti 0,847 AU s periodou 271,9 dne. To znamená, že se nachází v obyvatelné zóně systému.

Nachází se tu mimochodem ještě další planeta, kterou vědci objevili díky spektroskopii. Ta má oběžnou dobu přibližně 34,15 dne. Kombinací historických dat (od roku 1905) a nových snímků s vysokým rozlišením vědci zjistili, že druhá hvězda v systému obíhá primární hvězdu s periodou kolem 230 roků a excentricitou dráhy přibližně 0,9. Studie naznačují, že planeta TOI 4633 c v minulosti nejspíš přežila zajímavé gravitační interakce, má totiž retrográdní dráhu.

Pokud mohou planety přežít v těchto extrémních podmínkách, znamená to, že počet obyvatelných světů může být ve vesmíru ještě vyšší, než jsme si mysleli. Simulace naznačují, že přibližně 5 % planet v těchto systémech by mohlo mít podmínky vhodné pro existenci kapalné vody a tím i života. Největší šanci na stabilní orbitální vývoj mají planety o hmotnosti mezi 1 a 5 hmotnosti Země.
Není tedy vyloučeno, že až v budoucnosti vědci objeví mimozemský život, zjistí, že se vyvíjel na planetě, která patří dvojhvězdném systému. Můžeme jen spekulovat, jak probíhá vývoj na takové planetě a jak odolné musí být živé organismy, které tu přežijí.

^{Zdroje: NASA, Odkaz, Odkaz}