Планети у системах, що складаються з двох зір, збуджують нашу уяву. Адже на їхньому небі можна побачити два сонця. Але який вигляд вони мають насправді, наскільки рідко зустрічаються і чи дійсно в них має бути щось особливе?
Татуїн
Нещодавно в астрономічній спільноті промайнула новина про відкриття «справжнього Татуїна». Йдеться про екзопланету HD 143811 AB b, розташовану за 446 світових років від нас, яка обертається навколо одразу двох зір.
Це далеко не перший такий світ, відомий науковцям, але серед усіх подібних планет він розташований чи не найближче до світила і, крім того, його вдалося побачити безпосередньо, а не просто вирахувати за коливаннями чи затемненнями зорі.
Достатньо цікаво, що порівнюють її саме з Татуїном із всесвіту «Зоряних воєн», адже насправді планет, які розташовані у системах двох зір, у фантастиці вистачає. І деякі з них навіть мають лише одне сонце на небі. А для того, аби зрозуміти, як це може бути, наскільки насправді незвичними є такі світи та який вигляд вони можуть мати, треба звернутися до наукових даних.
Планети у подвійних системах
Насамперед треба одразу розібратися із термінами. Коли ми говоримо про планети у подвійних системах, то маємо на увазі присутність саме двох зір. Пару планет, що обертаються навколо однієї зорі по тій самій орбіті й при цьому ще й крутяться одна навколо одної на відстані у кілька сотень тисяч кілометрів, теж можна назвати подвійною системою, але зараз мова не про цей випадок.
Взагалі подвійні зорі зовсім не рідкість у Всесвіті. Принаймні 50 % усіх світил входять до складу подвійних, потрійних або складніших кратних систем. Деякі дослідження дають навіть вищу оцінку, оскільки для більших і яскравіших світил це характерніше, а на великих відстанях ми бачимо переважно саме їх.
При цьому подвійні системи можуть бути тісними, в яких світила розділяє лише кілька їхніх радіусів, і широкими, в яких відстань між ними вимірюється десятками та сотнями астрономічних одиниць. І цей факт значить дуже багато для того, які планети можуть існувати біля них.
Зрозуміло, що обертання масивних світил сильно звужує діапазон орбіт, на яких можуть існувати планети. Наприклад, світи насправді не можуть обертатися вісімкоподібними орбітами навколо одразу двох сонць, інколи проходячи між ними на рівній відстані. Гравітаційні сили просто викинули б таку планету геть із системи.
Тому науковці виділяють два можливих варіанти орбіт: S-планети, які обертаються тільки навколо однієї із зір, і P-планети, які обертаються по еліпсах одразу навколо двох світил. І в обох випадках існують певні обмеження на радіуси цих орбіт.
У випадку S-планет радіус їхніх орбіт має бути набагато меншим, ніж відстань між зорями. У випадку із P-планетами він, навпаки, має бути набагато більшим за ту ж величину. З цього витікає цікавий наслідок: у тісних системах можуть існувати майже виключно P-планети, але якщо поступово розглядати все ширші й ширші системи, починає з’являтися можливість існування S-планет, хоча при цьому ймовірність існування світів, що обертаються навколо одразу двох зір, не зникає повністю.
Зона життя
Теоретично в одній системі можуть одночасно існувати планети обох типів. Однак у сонячній системі Меркурій — це планета і Нептун — теж планета. Але на Землю чи вигаданий Татуїн вони не схожі. Тому необхідно зробити уточнення, яке зазвичай пропускають: йдеться саме про землеподібні планети.
І тут все стає трохи складнішим, бо перше, чим визначається землеподібність планети, крім її маси й хімічного складу, — це кількість енергії, яку вона отримує від зорі. Зазвичай це виливається у так звані «зони Золотоволоски», де не занадто гаряче і не занадто холодно і вода може більшу частину часу перебувати у рідкому стані, а не у вигляді пари чи криги.
В принципі, у планет в системах подвійних зір все те саме, тільки складніше. Так, у випадку із S-планетами може статися так, що внутрішня межа зони життя розташована далі, ніж межа, за якою стабільні орбіти не можуть існувати через гравітаційний вплив світила-компаньйона.
Така ситуація може скластися, якщо відстань між світилами становить кілька астрономічних одиниць. Тобто взагалі землеподібні планети в цьому випадку можуть бути, але більшість із них походитиме на Меркурій, Венеру чи гарячі газові гіганти.
Прямо протилежна проблема може виникнути і з P-планетами. При збільшенні відстані між зорями в системі, мінімальний радіус їхніх стабільних орбіт збільшується і виникає ризик ситуації, коли планета просто не може знаходитися у достатньо теплій зоні для того, аби на її поверхні могла існувати рідка вода.
Саме тому науковців так зацікавила HD 143811 AB b. Це P-планета, орбіта якої розташована максимально близько до двох зір всередині. Цілком можливо, що вона справді близька до «зони Золотоволоски». Яка в цьому випадку визначається сумарною світимістю одразу двох зір.
P-світи
То чи можливі планети, де на небі можна побачити одразу два сонця? Так, і насамперед це P-світи, які обертаються навколо двох зір. Відстань між ними не перевищує пари астрономічних одиниць. «Зона життя» в цьому випадку буде ширшою, ніж якби це була одна зоря, світимість якої еквівалентна цій парі, але загалом все матиме саме такий вигляд, як це зазвичай зображують: з-за обрію щоранку виринатимуть одне за одним два світила, які не відходять на небі далеко одне від одного.
Рік на такій планеті може тривати від кількох десятків днів — якщо йдеться про систему з двома червоними карликами — до кількох земних років. Упродовж року дві зорі постійно зміщуватимуться одна відносно одної й інколи ховатимуться одна за одну. Відповідно, те, яке зі світил сходить першим, змінюватиметься протягом року. Водночас вони ніколи не сходитимуть разом, за винятком моментів, коли одне світило закриває інше.
Проте це справджується тільки для випадку, коли орбіта планети перебуває в тій самій площині, що й орбіта самих зір. А можливий випадок, коли планета розташована на орбіті, що перпендикулярна до орбіти зір, або близька до такого положення. В такому разі буде спостерігатися цікава картина: залежно від пори року сонця можуть сходити в будь-якому порядку, зокрема й одночасно.
А от заходити одне за одне світила не будуть практично ніколи. Таке може трапитися тільки в ті рідкісні моменти, коли вони опиняються на лінії перетину площини їхнього обертання з площиною обертання планети. Причому остання має в цей час перебувати на ній же. Тобто навіть теоретично таке може статися не частіше ніж два рази за місцевий рік, а імовірніше, відбуватиметься раз на кілька місцевих років.
При цьому на P-планеті теоретично може виникнути механізм зміни пір року, який неможливий на планетах, що обертаються навколо одного світила. На них зміну зими та літа спричиняє або нахил осі до екліптики (наприклад, на Землі, при цьому сезони у Північній та Південній півкулі чергуються), або через великий ексцентриситет орбіти планети (у Сонячній системі це частково справедливо для Mарса, в цьому випадку зима чи літо настають одразу на всій планеті, причому тривалість сезонів неоднакова).
Проте на P-планеті зміну освітленості може спричиняти й саме обертання зір навколо одна одної. Щоправда, для цього треба, аби відстань між ними була великою, а світимість відрізнялася. У такому випадку залежно від того, яке зі світил ближче до планети буде змінюватися кількість енергії, яку вона отримує. При цьому цей ефект може поєднуватися з тими двома механізмами, які працюють для звичайних планет. У результаті цього процес, який ми на Землі знаємо як зміну пір року, на такій планеті може мати складний і непередбачуваний характер.
А от на перебіг доби на P-планеті наявність двох сонць впливає слабко. Якщо відстань між світилами незначна у порівнянні з радіусом орбіти планети, він взагалі непомітний. Але якщо вона достатньо велика, то це може призводити до збільшення світлої частини доби на кілька відсотків у порівнянні з тим, якби зоря була одна.
S-планета
У випадку S-планети, тобто такої, яка обертається навколо тільки однієї зорі, все залежить від відстані між зорями й того, які вони є. Якщо компаньйон перебуває далеко, чи він не перевищує серйозно своєю світимістю ту зорю, навколо якої обертається планета, то з погляду гіпотетичних її мешканців останньої ситуації не буде сильно відрізнятися від тієї, що була б у випадку одиночного світила.
Просто на небі з’явиться надзвичайно яскрава зоря, яку, ймовірно, буде видно навіть удень і яка поводитиметься інакше, ніж світила, які в минулому земні астрономи називали «нерухомими», а також інакше, ніж зоря, навколо якої обертаються інші S-планети цієї системи. Як і перші, у певну пору року вона ховатиметься за Сонцем, а в іншу — перебуватиме в зеніті опівночі. Втім, час цих явищ з року в рік змінюватиметься, аж доки за кілька місцевих десятиліть або століть не пройде повний цикл. На клімат планети вона істотного впливу не матиме.
Інша справа, коли зоря, навколо якої обертається планета, — не найбільша і не найяскравіша в системі. Наприклад, коли планета обертається навколо червоного карлика, а її компаньйон — світило розміром із Сонце, і воно розташоване лише у кількох астрономічних одиницях.
В такому випадку «денна зоря» перетворюється на повноцінне друге сонце. Коли вона і планета перебувають по різні боки від того світила, навколо якого планета обертається, то два світила сходять разом. Якщо ж планета опиняється між зорями, то на деякий час виникає ситуація, коли на небі весь час перебуває одне із сонць, тобто ніч просто не настає.
При цьому варто пам’ятати, що якщо зоря, навколо якої обертається планета, є червоним карликом, то рік на планеті у її «зоні Золотоволоски» триває менше, ніж земний місяць. Тому і ситуація, коли одне з сонць тільки зайшло, а інше вже сходить, не може тривати довше, ніж кілька земних днів.
І якщо вже говорити про червоні карлики, то треба згадати й про ефект припливного захоплення, тобто синхронізації періоду обертання планети навколо зорі та навколо власної осі. Результатом є те, що планета весь час повернута до останньої одним боком. Знову ж таки, можливі різноманітні варіанти, про які можна прочитати у цій статті, але сам факт можливості такого явища на S-планеті у широкій системі нікуди не зникає.
Змінюється лише наявність другої зорі, на яку припливне захоплення не поширюється і тому в певні моменти року вона може освітлювати й темну півкулю. Тобто можлива така ситуація, що на планеті десь десять діб один бік завжди освітлений, а інший — у темряві, потім десять діб на всій планеті день, потім все повторюється.
Ексцентричні орбіти зір
Якщо все вищесказане здається складним, мусимо заспокоїти: насправді все ще складніше, адже описано найідеальнішу ситуацію — коли орбіти, якими рухаються зорі, мають малий ексцентриситет, тобто є близькими до кругових. Насправді ж вони можуть нагадувати витягнутий еліпс, що створює додаткову складність.
У випадку P-світів все відносно просто. Виникає ще одна циклічність. Коли зорі зближуються на мінімальну відстань одна від одної, вони водночас розташовані далі від планети, тож вона отримує менше енергії.
Що ж до S-планет, то тут все може бути набагато драматичніше. Період обертання широких подвійних систем із великим ексцентриситетом може складати десятки й сотні років. При цьому за законами орбітальної механіки поблизу від точки максимального зближення світила рухаються найшвидше.
Це призводить до ситуації, коли друге світило більшу частину часу практично не впливає на життя на планеті, але в певні періоди зближується настільки, що суттєво збільшує приплив тепла на неї.
Наслідки цього можуть бути різними. Якщо планета загалом холодна, то це позитивний чинник. Саме в такі моменти на ній може розквітати життя. Якщо ж вона і так гаряча, то наслідки, навпаки, можуть бути катастрофічними.
Клімат планети
Але найцікавіше питання щодо планет подвійних зір стосується не того, що відбувається на їхньому небі. Чи справді вони будуть перетворюватися на пустелі через надмірний приплив світла?
Зовсім не обов’язково, адже навіть цей надмірний приплив відносний, бо планета може просто перебувати достатньо далеко від однієї чи обох зір. Відмітити можна хіба що те, що P-світи мають тяжіти до довгих років із відносно холодною зимою, спекотним літом і купою додаткових коливань температури.
S-світи в системах із низкою ексцентричністю орбіт зорі навпаки тяжітимуть до коротких років і рівного клімату. А ті, де світила рухаються витягнутими орбітами, час від часу переживатимуть сильне потепління.
Але насправді не можна виключити жодної кліматичної картини. Хоча б тому, що на неї значно сильніше, ніж орбітальні параметри, й зоря впливають фізичні характеристики самої планети. Великі світи з потужними атмосферами у будь-якій ситуації матимуть рівніший і тепліший клімат, ніж це передбачає теорія. А от маленькі, навпаки, тяжітимуть до пустель, можливо, навіть холодних.
Загалом надлишок тепла зовсім не обов’язково означає пустелю — яскравим прикладом цього є тропічні ліси. Пустеля ж визначається нестачею опадів, яку насамперед зумовлюють наявність великих масивів суходолу, а також взаємодія холодних океанічних течій і вітрів.
Отже, планети з двома сонцями цілком можуть бути дуже розповсюдженими у Всесвіті. Проте вони можуть бути зовсім не схожими на Татуїн.
