Simuleringer avslører hydrodynamikk av planetarisk oppslukning av ekspanderende stjerne

Når solen vår uttømmer hydrogenbrenselet i kjernen om 5 milliarder år fra nå, vil den utvide seg til å bli en rød gigant som oppsluker de indre planetene. Dynamikken og mulige utfall av planetarisk oppslukning er dårlig forstått, men det antas å være en relativt vanlig skjebne for planetsystemer.

En ny studie med hydrodynamiske simuleringer avslører kreftene som virker på en planet når den svelges av en ekspanderende stjerne. Resultatene viser at samspillet mellom en understellart kropp (en planet eller brun dverg) med den varme gassen i den ytre konvolutten til en sollignende stjerne kan føre til en rekke utfall avhengig av størrelsen på det oppslukte objektet og stadiet av stjernens utvikling.

Hovedforfatter Ricardo Yarza ved University of California, Santa Cruz, vil presentere de nye funnene 13. juni 2022, på det 240. møtet til American Astronomical Society (AAS) i Pasadena.

“Utviklede stjerner kan være hundrevis eller til og med tusenvis av ganger større enn planetene deres, og denne forskjellen i skalaer gjør det vanskelig å utføre simuleringer som nøyaktig modellerer fysiske prosesser forekommer på hver skala,” sa Yarza, en doktorgradsstudent i astronomi og astrofysikk ved UCSC. “I stedet simulerer vi en liten del av stjernen sentrert på planeten for å forstå flyten rundt planeten og måle motstandskreftene som virker på den. “

Resultatene kan bidra til å forklare nyere observasjoner av planeter og brune dverger som kretser tett rundt stjernerester som hvite dverger og subdverger. Tidligere studier har antydet at disse systemene kan være sluttresultatet av en planetarisk oppslukningsprosess som involverer krymping av den oppslukte kroppens bane og utstøting av de ytre lagene av stjernen.

“Når planeten beveger seg inne i stjernen, overfører dragkrefter energi fra planeten til stjernen, og stjernens konvolutt kan bli ubundet hvis den overførte energien overskrider dens bindingsenergi,” forklarte Yarza.

Ifølge beregningene til Yarza og hans kolleger kan ingen understellare kropper mindre enn omtrent 100 ganger massen til Jupiter kaste ut konvolutten til en sollignende stjerne før den har utvidet seg til omtrent 10 ganger solens radius. På senere stadier av stjernenes utvikling og ekspansjon kunne imidlertid stjernehylsteret bli kastet ut av et objekt så lite som ti ganger massen til Jupiter, som ville krympe banen med flere størrelsesordener i prosessen.

Studien fant også at planetarisk oppslukning kan øke lysstyrken til en sollignende stjerne med flere størrelsesordener i opptil flere tusen år, avhengig av massen til det oppslukte objektet og stjernens evolusjonsstadium.

Rammeverket gitt av denne studien kan inkorporeres i fremtidig arbeid for å utforske effekten av oppsluging på strukturen til stjernen. “Vårt arbeid kan informere simuleringer av planetarisk oppslukning i skalaen til stjernen ved å gi et nøyaktig referansebilde av fysikken i planetens skala,” sa Yarza.

Et stort utvalg av planetsystemer har nå blitt beskrevet av eksoplanetsøkeprogrammer. Etter hvert som disse systemene utvikler seg, vil en betydelig brøkdel sannsynligvis gjennomgå planetarisk oppslutning. “Vi tror det er relativt vanlig,” sa Yarza.

Et papir om de nye funnene er sendt inn for publisering i Astrofysisk tidsskrift. Seniorforfatterne av artikkelen er Enrico Ramirez-Ruiz, professor i astronomi og astrofysikk, og Dongwook Lee, førsteamanuensis i anvendt matematikk, begge ved UC Santa Cruz.

Ramirez-Ruiz sa at han var imponert over Yarzas arbeid med dette prosjektet. “Det er mange ingredienser for å lykkes på de høyeste nivåene av astrofysisk forskning, inkludert kreativitet, gane i valg av nøkkelspørsmål, styrke og rekkevidde av kunnskap, evne til å formidle vitenskapelige resultater, teknisk mestring og uavhengighet. Ricardo skiller seg ut ved at hans vektoren er stor i alle disse grunnleggende dimensjonene,” sa han.

---

---