Белые карлики представляют собой остатки звёзд, похожих на Солнце. При размерах, сопоставимых с земными, они обладают огромной плотностью, а их масса примерно равна солнечной. Из-за этого сила притяжения у них колоссальна — её достаточно, чтобы разрывать объекты, оказавшиеся слишком близко. Иллюстрация: NASA’s Goddard Space Flight Center/Scott Wiessinger.
Долгое время считалось, что белые карлики одиноки в космосе и не имеют звёздных компаньонов. Позже наблюдения показали, что поверхность некоторых из них загрязнена металлами. Астрономы предположили, что эти металлы выпадают на неё из каменных обломков, а затем обнаружили вокруг ряда белых карликов диски из таких обломков. Ещё более точные наблюдения выявили в этих дисках признаки каменных тел — небольших планет, лун или астероидов.
Один из примеров — WD 1145+017, вокруг которого, судя по всему, обращается несколько небольших каменных тел. Их разрывает, и обломки выпадают на поверхность белого карлика. Учёные хотят понять, насколько эффективно белые карлики измельчают небольшие тела и формируют диски обломков, и по мере находок новых систем с дисками, астероидами и даже планетными системами объяснения должны успевать за наблюдениями.
В новой работе, опубликованной в The Astrophysical Journal Letters, исследователи изучили, насколько эффективно приливные силы белого карлика разрывают астероиды. Статья называется «Size Limits on Tidal Debris around White Dwarfs: The Kilometer-size Barrier» («Пределы размеров приливных обломков вокруг белых карликов: километровый барьер»), её ведущий автор — Джордан К. Стеклофф, старший научный сотрудник Планетологического института. Как отмечают авторы, компактные диски планетных обломков вокруг белых карликов дают важное окно в понимание эволюционировавших планетных систем, а их формирование часто моделировали приливным разрушением малых планет — «куч щебня», не обладающих внутренней прочностью.
Однако у реальных «куч щебня» есть некоторая связность. Все три исследованных астероида — Итокава, Рюгу и Бенну — относятся именно к таким телам, и удерживает их сила Ван-дер-Ваальса: слабое короткодействующее притяжение и отталкивание атомов и молекул, которое, как показывают лапки геккона, может быть весьма действенным. Стеклофф и соавторы показали, что при учёте этой прочности разрушение «куч щебня» задаёт максимальный размер фрагментов, и рассчитали его для водяного льда, железа и материалов с плотностью лунных нагорий, Весты и Земли. «Ничто не является по-настоящему лишённым прочности, — сказал Стеклофф. — Крошечное притяжение между зёрнами, называемое силами Ван-дер-Ваальса, придаёт кометам и астероидам минимальную прочность в 10–100 раз меньшую, чем нужно, чтобы разорвать свежевыпавший снег».
По данным исследования, типичная внутренняя прочность «кучи щебня» составляет около 10–1000 Па — примерно в миллион раз меньше, чем у твёрдой породы. В этом диапазоне максимальный размер фрагментов близок к размерам небольших астероидов — от 0,1 до 1 км в диаметре. «Этот предел — километровый барьер — также соответствует характерным размерам приливных фрагментов, — поясняют авторы. — Большая часть массы обломков заключена во фрагментах такого размера». Иллюстрация: Jordan K. Steckloff et al 2026 ApJL 1004 L27.
Следовательно, модели формирования дисков вокруг белых карликов должны учитывать ещё один источник пыли, чтобы объяснить пыльные диски в наблюдениях, — вероятно, столкновения, а не приливные силы. Конечное состояние диска определяет эффект Пойнтинга — Робертсона: солнечное излучение заставляет пылинки вокруг звёзд, включая белые карлики, спирально двигаться внутрь. Это работает, только если пылинки достаточно малы для такого торможения, но не настолько, чтобы давление излучения их отбрасывало, а данная работа показывает, что одного разрушения для образования столь мелкой пыли недостаточно. Наблюдения в Солнечной системе это подтверждают: в 1992 году мощные приливные силы Юпитера разорвали комету Шумейкеров — Леви 9 не в пыль, а на фрагменты диаметром от 100 до 1000 м, которые затем упали на планету. Фото: NASA.
Исследование не ограничивается размерами фрагментов в дисках: оно показывает, что обломки сохраняют свои орбиты. Их скорости меняются лишь на ничтожные доли — «порядка одной части на миллион — одну часть на 100 миллионов», поясняют авторы. «Столь малые изменения скорости приводят к пренебрежимо малым изменениям орбит фрагментов, которые остаются практически на той же орбите, что и до разрушения». На образование пылевого диска белого карлика влияет множество факторов, и эта работа задаёт важное ограничение для одного из них. «Понимание пути от целой малой планеты до моря пыли, выпадающей на белый карлик, — нерешённая задача, — пишут авторы. — В этой статье мы демонстрируем жёсткое ограничение на первый шаг этого процесса». Работа показывает, что для возникновения пылевых дисков у белых карликов необходим какой-то процесс измельчения, например столкновения. «Понимание того, как образуются и эволюционируют обломки вокруг белых карликов, важно для осмысления наблюдений, — сказала соавтор исследования Кэт Волк из Планетологического института. — Это поможет понять, что происходит с малыми телами на орбите вокруг звезды на завершающих этапах её жизни».