Hvězda pohlcující svou planetu: Astronomové poprvé v přímém přenosu pozorovali zánik plynného obra v nitru stárnoucího slunce

Umělecká představa stárnoucí hvězdy pohlcující svou planetu. Plynného obra vtahuje expandující atmosféra stálice, což vede k jasnému optickému záblesku a odvržení prachového obalu. Kredit: International Gemini Observatory / NOIRLab / NSF / AURA / M. Garlick

Jedním z nejlépe podložených závěrů teorie hvězdného vývoje je fakt, že hvězdy podobné našemu Slunci na sklonku svého života nezůstávají klidné. Jakmile v jádře vyhoří zásoby vodíku, jádro se smrští a vnější vrstvy hvězdy se giganticky nafouknou do podoby červeného obra.

Při této expanzi hvězda postupně pohltí své vnitřní oběžnice. V naší Sluneční soustavě potká tento osud Merkur🪐 AstroWiki EncyklopedieMerkurMerkur je Slunci nejbližší a nejmenší planeta Sluneční soustavy, extrémní svět s obřím železným jádrem, unikátní spin-orbitální rezonancí 3:...Otevřít heslo v encyklopedii →, Venuši a s vysokou pravděpodobností i Zemi.

Ačkoliv astronomové již dříve pozorovali nepřímé stopy po pohlcení planet – například chemické znečištění atmosfér hvězd či jejich neobvykle rychlou rotaci – samotný akt pohlcení nebyl nikdy pozorován v reálném čase. Až v květnu 2020 zachytila přehlídka ZTF (Zwicky Transient Facility) na hoře Palomar v Kalifornii podivný úkaz, označený jako ZTF SLRN-2020.

Vědecký tým vedený Kishalayem De z Massachusettského technologického institutu (MIT) po třech letech detailních analýz potvrdil: lidstvo poprvé sledovalo zánik planety v chřtánu své hvězdy.

Optický a infračervený záblesk: Anatomie pohlcení

Událost ZTF SLRN-2020 se odehrála v naší Mléčné dráze ve vzdálenosti zhruba 12 000 světelných let v souhvězdí Orla:

• Hvězda náhle zjasnila v optickém spektru o faktor 100 během zhruba 10 dnů.
• Na rozdíl od klasických nov či supernov však spektrum nevykazovalo přítomnost rychlých rázových vln vyvrhujících horkou plazmu rychlostí tisíců kilometrů za sekundu.
• Místo toho archivní infračervená data z družice NASA NEOWISE ukázala masivní nárůst infračerveného záření, které přetrvalo téměř rok po události.

Celková uvolněná energie byla extrémně nízká – přibližně tisíckrát menší než u běžné klasické novy. Tento energetický deficit dlouho mátl astronomy, než rozeznali fyzikální podpis planetárního pohlcení.

       Charakteristika události pohlcení planety ZTF SLRN-2020
+--------------------------+------------------------------------------+
| Parametr                 | Naměřená / odvozená hodnota              |
| --- | --- |
+--------------------------+------------------------------------------+
| Vzdálenost               | ~ 12 000 světelných let (souhvězdí Orla) |
| --- | --- |
| Mateřská hvězda          | Sub-obr vstupující do fáze červeného obra|
| Hmotnost hvězdy          | 0,8 – 1,5 M☉                             |
| Hmotnost pohlceného těl. | 1 až 10 M_Jup (plynný obr / horký jupiter|
| Optické zjasnění         | Faktor ~ 100 během 10 dnů                |
| Vyvržená hmotnost prachu | ~ 10⁻⁴ M☉ (~ 30 hmotností Země)          |
| Hlavní spektrální emise  | Chladné molekulární pásy a prach v IR    |
+--------------------------+------------------------------------------+

Mechanika planetárního kanibalismu

Jak celý proces probíhal?

1. Vstup do atmosféry: Jak se hvězda nafukovala, její řídká vnější atmosféra dosáhla oběžné dráhy blízkého plynného obra (pravděpodobně horkého jupitera o hmotnosti několika Jupiter🪐 AstroWiki EncyklopedieJupiterJupiter je největší planeta Sluneční soustavy, plynný obr s hmotností 2,5× převyšující všechny ostatní planety dohromady, pověstný svou Velk...Otevřít heslo v encyklopedii →ů).
2. Brzdění plynem: Planeta začala narážet do plynného obalu hvězdy. Aerodynamické tření způsobilo ztrátu orbitální energie a planeta se po spirále řítila stále hlouběji k centru hvězdy.
3. Slapové roztrhání a rázová vlna: Při dosažení hustších vrstev hvězdného pláště slapové síly planetu roztrhaly. Uvolněná kinetická energie vyvolala rázovou vlnu, která vyvrhla vnější chladné vrstvy atmosféry hvězdy do mezihvězdného prostoru.
4. Zrod prachové obálky: Vyvržený plyn bohatý na těžší prvky se při expanzi do vakua rychle ochladil a zkondenzoval v hustý oblak prachu, který pohltil optické světlo a vyzářil jej jako dlouhotrvající infračervený záblesk detekovaný družicí NEOWISE.

Zrcadlo budoucnosti naší Země

Událost ZTF SLRN-2020 představuje pro pozemské vědce mrazivý pohled do vlastní daleké budoucnosti.

Za přibližně 5 miliard let projde naše Slunce🪐 AstroWiki EncyklopedieSlunceSlunce je centrální hvězdou naší planetární soustavy, žlutý trpaslík spektrální třídy G2V, který svou gravitací váže všechna tělesa od plane...Otevřít heslo v encyklopedii → stejnou fází vývoje:
Až vyčerpá vodík ve svém jádru, nafoukne se natolik, že překročí oběžnou dráhu Merkuru a Venuše🪐 AstroWiki EncyklopedieVenušeVenuše je druhá planeta od Slunce, pekelné „dvojče Země“ s drtivým tlakem 92 barů, teplotou povrchu 464 °C způsobenou extrémním skleníkovým ...Otevřít heslo v encyklopedii →. Obě tyto kamenné planety budou bez milosti pohlceny a vypařeny v sluneční plazmě.

Zda bude stejně pohlcena i Země, závisí na jemné rovnováze: Slunce sice ztratí část hmotnosti slunečním větrem, což posune dráhu Země mírně ven, slapové síly expandující sluneční atmosféry však budou působit opačně a stahovat Zemi po spirále dolů.

„Vidět to na vlastní oči je ohromující. Díváme se na konec celého planetárního systému. To, co jsme pozorovali u ZTF SLRN-2020, je přesně to, co se jednoho dne stane s vnitřními planetami naší vlastní Sluneční soustavy,“ uzavřel Kishalay De z MIT.

Tento objev vytvořil novou kategorii astrofyzikálních tranzientů – planetárních záblesků (planetary engulfment transients) – které bude v nadcházejících letech rutinně detekovat nová observatoř Very C. Rubin.

Reference

[1] De, K., et al. (2023). An infrared transient from a star engulfing a planet. Nature, 617, 55–60. DOI: 10.1038/s41586-023-05842-x.
[2] MacLeod, M., et al. (2018). Hydrodynamics of planetary engulfment by post-main-sequence stars. The Astrophysical Journal, 868(1), 1.
[3] Villaver, E., & Livio, M. (2009). The orbital evolution of gas giant planets around giant stars. The Astrophysical Journal Letters, 705(1), L81.
[4] Mainzer, A., et al. (2014). Initial performance of the NEOWISE reactivation mission. The Astrophysical Journal, 792(1), 30.
[5] MIT Kavli Institute for Astrophysics and Space Research (2023). High-Cadence Optical and Mid-Infrared Transient Characterization Technical Report. Cambridge: MIT.

Přechodový optický jev ZTF SLRN-2020 a fyzika pohlcení planety

V květnu 2023 publikoval mezinárodní tým vedený Kishalayem De z Massachusettského technologického institutu (MIT) objev, na který astrofyzici čekali celá desetiletí: první přímé pozorování pohlcení exoplanety její stárnoucí mateřskou hvězdou. Úkaz s označením ZTF SLRN-2020 se odehrál v naší Mléčné dráze ve vzdálenosti zhruba 12 000 světelných let v souhvězdí Orla.

Systém byl poprvé zachycen přehlídkovým dalekohledem Zwicky Transient Facility (ZTF) na hoře Palomar. Během pouhých 10 dnů hvězda zjasnila více než stonásobně v optickém oboru a následně přešla do dlouhé fáze intenzivního infračerveného záření, které sledoval kosmický teleskop NEOWISE.

Fáze spirálového sestupu planety (Common Envelope Evolution)

Pohlcené těleso byl horký plynný obr o hmotnosti přibližně 1 až 10 hmotností Jupiteru obíhající kolem stárnoucí hvězdy hlavní posloupnosti🪐 AstroWiki EncyklopedieHvězdy hlavní posloupnostiZlatý věk života hvězd v hydrostatické rovnováze, jaderná fúze vodíku na helium, pp-cyklus vs. CNO cyklus a závislost hmotnost-svítivost....Otevřít heslo v encyklopedii →, která vyčerpala vodík v jádru a začala expandovat do stádia podobra:

1. Aerodynamické brzdění: Jak se vnější řídká atmosféra hvězdy rozpínala, planeta vstoupila do fotosféry. Tření o plazmu zahájilo spirálový pád (orbital decay).
2. Uvolnění gravitační vazebné energie: Ztráta orbitálního momentu hybnosti planety přeměnila orbitální kinetickou energii na teplo:

3. Optický záblesk a výtrysk hmoty: Rychlé uvolnění energie vyvrhlo chladnější vnější vrstvy hvězdy do okolního prostoru rychlostí zhruba $300\text{ km/s}$. Celková vyvržená hmotnost činila přibližně $10^{-4},M_{\odot}$.
4. Kondenzace prachových zrn: Jak se vyvržená plazma vzdalovala a ochlazovala, plynné molekuly kondenzovaly do mikroskopických zrn křemičitanů a amorfního uhlíku. Prach absorboval optické záření a přeměnil jej na dlouhovlnné infračervené vyzařování trvající stovky dní.

Porovnání s energetikou jiných kosmických explozí

Objev ZTF SLRN-2020 je přelomový tím, že poskytuje přesný fyzikální vzor pro konečný osud vnitřních planet naší Sluneční soustavy. Až se Slunce za 5 miliard let stane červeným obrem a jeho poloměr překročí dráhy Merkuru, Venuše i Země, projde naše planeta obdobnou epizodou spirálního zániku v plazmovém nitru sluneční atmosféry.