Wanneer onze zon de waterstofbrandstof in zijn kern over ongeveer 5 miljard jaar opgebruikt, zal hij uitzetten tot een rode reus die de binnenste planeten overspoelt. De dynamiek en mogelijke gevolgen van planetaire verzwelging zijn slecht begrepen, maar men denkt dat het een relatief veelvoorkomend lot is voor planetaire systemen.

Een nieuwe studie met hydrodynamische simulaties onthult de krachten die op een planeet inwerken wanneer deze wordt opgeslokt door een uitdijende ster. De resultaten laten zien dat de interacties van een substellair lichaam (een planeet of bruine dwerg) met het hete gas in de buitenste omhulling van een zonachtige ster kunnen leiden tot een reeks uitkomsten, afhankelijk van de grootte van het verzwolgen object en het stadium van de evolutie van de ster.

Hoofdauteur Ricardo Yarza van de Universiteit van Californië, Santa Cruz, zal de nieuwe bevindingen op 13 juni 2022 presenteren tijdens de 240e bijeenkomst van de American Astronomical Society (AAS) in Pasadena.

"Geëvolueerde sterren kunnen honderden of zelfs duizenden keren groter zijn dan hun planeten, en deze ongelijkheid in schalen maakt het moeilijk om simulaties uit te voeren die nauwkeurig de fysieke processen die op elke schaal plaatsvinden, modelleren", zegt Yarza, een afgestudeerde student astronomie en astrofysica aan UCSC. "In plaats daarvan simuleren we een klein deel van de ster gecentreerd op de planeet om de stroming rond de planeet te begrijpen en de weerstandskrachten die erop werken te meten."

De resultaten kunnen helpen bij het verklaren van recente waarnemingen van planeten en bruine dwergen die in een baan rond sterresten zoals witte dwergen en subdwergen draaien. Eerdere studies hebben gesuggereerd dat deze systemen het eindresultaat kunnen zijn van een planetair verzwelgingsproces waarbij de baan van het overspoelde lichaam wordt verkleind en de buitenste lagen van de ster worden uitgeworpen.

"Terwijl de planeet in de ster reist, dragen sleepkrachten energie over van de planeet naar de ster, en de stellaire envelop kan losraken als de overgedragen energie zijn bindingsenergie overschrijdt", legt Yarza uit.

Volgens de berekeningen van Yarza en zijn collega's kunnen geen substellaire lichamen kleiner dan ongeveer 100 keer de massa van Jupiter het omhulsel van een zonachtige ster uitwerpen voordat deze is uitgebreid tot ongeveer 10 keer de straal van de zon. In latere stadia van stellaire evolutie en expansie zou de stellaire envelop echter kunnen worden uitgeworpen door een object dat zo klein is als tien keer de massa van Jupiter, waardoor zijn baan tijdens het proces met verschillende ordes van grootte zou krimpen.

De studie toonde ook aan dat planetaire verzwelging de helderheid van een zonachtige ster met enkele ordes van grootte tot enkele duizenden jaren kan verhogen, afhankelijk van de massa van het verzwolgen object en het evolutionaire stadium van de ster.

Het raamwerk dat door deze studie wordt geboden, kan worden opgenomen in toekomstig werk om het effect van overspoeling op de structuur van de ster te onderzoeken. "Ons werk kan simulaties van planetaire verzwelging op de schaal van de ster informeren door een nauwkeurig referentiebeeld te geven van de fysica op de schaal van de planeet," zei Yarza.

Een grote verscheidenheid aan planetenstelsels is nu beschreven door zoekprogramma's voor exoplaneten. Naarmate deze systemen evolueren, zal een aanzienlijk deel waarschijnlijk planetaire verzwelging ondergaan. "We denken dat het relatief vaak voorkomt," zei Yarza.

Een paper over de nieuwe bevindingen is ingediend voor publicatie in het Astrophysical Journal . De senior auteurs van het artikel zijn Enrico Ramirez-Ruiz, hoogleraar astronomie en astrofysica, en Dongwook Lee, universitair hoofddocent toegepaste wiskunde, beide aan UC Santa Cruz.

Ramirez-Ruiz zei dat hij onder de indruk was van Yarza's werk aan dit project. "Er zijn veel ingrediënten voor succes op het hoogste niveau van astrofysisch onderzoek, waaronder creativiteit, smaak in de selectie van sleutelvragen, kracht en kennisbereik, vermogen om wetenschappelijke resultaten te communiceren, technisch meesterschap en onafhankelijkheid. Ricardo onderscheidt zich doordat zijn vector is groot in al deze fundamentele dimensies," zei hij. + Verder verkennen

TESS onthult een onwaarschijnlijke planeet