Koliko planete mogu biti velike? 4 gasovita džina iznenadila astrofizičare i zakomplikovala odgovor

Gasoviti džin je naziv za veliku planetu sastavljene uglavnom od helijuma i/ili vodonika. Iako ove planete imaju gusta jezgra, nemaju čvrstu površinu. Jupiter i Saturn su gasoviti džinovi u našem Sunčevom sistemu, ali postoje mnoge druge egzoplanete ovog tipa u našoj galaksiji, a neke su i više puta veće od Jupitera. Najveći gasoviti džinovi brišu granicu između planeta i smeđih patuljaka, onih substelarnih objekata koje ponekad nazivaju neuspelim zvezdama jer u njima ne dolazi do fuzije vodonika.

Kako nastaju ovi gasoviti džinovi? Da li je to putem akrecije jezgra, gde čvrsta jezgra postepeno rastu u disk privlačenjem stenovitih i zaleđenih kamenčića dok ne postanu dovoljno masivna da privuku gas koji okružuje mlade zvezde, kao što se desilo sa Jupiterom i Saturnom? Ili je to putem gravitacione nestabilnosti, gde se oblak gasa koji okružuje zvezdu brzo urušava u masivne objekte poput smeđih patuljaka?

Preporučujemo

Tim istraživača, predvođen Univerzitetom Kalifornije u San Dijegu, koristio je spektralne podatke sa Svemirskog teleskopa Džejms Veb kako bi ispitao zvezdani sistem HR 8799, što je dovelo do iznenađujućeg odgovora na ovo dugogodišnje astronomsko pitanje, piše EurekAlert! Njihov rad je objavljen u žurnalu Nature Astronomy.

Zvezdani sistem HR 8799 nalazi se na udaljenosti od približno 133 svetlosne godine od nas, u sazvežđu Pegaz. Svaka planeta oko ove zvezde ima masu od pet do deset puta veću od Jupitera i orbitira oko zvezde HR 8799 na rastojanjima od 15 do 70 astronomskih jedinica, što znači da je planeta najbliža zvezdi 15 puta dalje nego što je Zemlja udaljena od Sunca. HR 8799 je uvećana verzija našeg Sunčevog sistema, koji takođe ima četiri spoljašnja ledena i gasovita džina koji se protežu od Jupitera do Neptuna.

Udaljene planete

Ekstremne udaljenosti na kojima ove planete orbitiraju oko svoje zvezde i njihove velike mase naterale su astronome da se zapitaju da li je ovaj sistem mogao nastati putem akrecije jezgra. Zapravo, prvobitni modeli formiranja planeta zasnovani na našem Sunčevom sistemu predviđali su da planete ne bi imale vremena da narastu do tako velikih masa pre nego što sama zvezda oduva disk koji je okružuje.

Astronomi često koriste spektroskopiju - svetlosne talase koji mogu otkriti fizička svojstva egzoplaneta i pružiti uvid u to kako su nastale. Pre Veba koristili su zemaljske teleskope za merenje količine vode i ugljen-monoksida u egzoplanetama. Međutim, naučnici su danas shvatili da molekuli koji sadrže ugljenik i kiseonik nisu najbolji indikatori formiranja planeta, jer nije moguće razlučiti njihovo poreklo.

Okrenuli su se od ovih „volatilnih” (isparljivih) molekula ka stabilnijim, koji se nazivaju refraktorni elementi. Refraktorni elementi, poput sumpora, prisutni su samo u čvrstim materijama u protoplanetarnom disku iz kojeg se formiraju planete. Prisustvo sumpora je dokaz da je gasoviti džin nastao putem akrecije jezgra.

- Sa svojom neviđenom osetljivošću, Džejms Veb omogućava najdetaljnije proučavanje atmosfera ovih planeta, dajući nam tragove o putevima njihovog nastanka. Detekcijom sumpora u stanju smo da zaključimo da su se planete sistema HR 8799 verovatno formirale na sličan način kao Jupiter, uprkos tome što su od pet do deset puta masivnije, što je bilo neočekivano - izjavio je Žan-Batist Rufio, istraživač na Univerzitetu Kalifornije u Sna Dijegu.

HR 8799 je relativno mlad zvezdani sistem, star oko 30 miliona godina (radi poređenja, naš Sunčev sistem je star oko 4,6 milijardi godina). Kako planete teže da se hlade dok stare, mlađe planete su svetlije i lakše za proučavanje putem spektroskopije.

Sistem HR 8799... Foto: NRC-HIA, Christian Marois, W. M. Keck Observatory / TASR / Profimedia

Moć svemirskog teleskopa

Džejms Veb ima spektrograf najviše rezolucije dostupan u svemiru, što omogućava istraživačima da posmatraju svetlost egzoplaneta bez kontaminacije molekulima iz Zemljine atmosfere. Po prvi put, astronomi su mogli da vide fine karakteristike niza retkih molekula u atmosferama tri unutrašnja gasovita džina sistema HR 8799, koji su ranije bili neuhvatljivi.

Međutim, ovo otkriće nije bilo lako. Ove planete su oko 10.000 puta slabijeg sjaja od svoje zvezde, a Vebov spektrograf prvobitno nije bio dizajniran za tako izazovna posmatranja. Rufio, koji je vodio analizu, morao je da razvije nove tehnike obrade podataka kako bi izvukao slabi signal i omogućio ovo otkriće. Džeri Sjuen, stipendista programa „51 Pegasi b“ na Univerzitetu Kalifornije u Los Anđelesu, kreirao je detaljne atmosferske modele koji su mogli da se uporede sa Vebovim spektrima kako bi se utvrdilo da li je sumpor prisutan.

- Kvalitet Vebovih podataka je zaista revolucionaran i postojeće mreže atmosferskih modela jednostavno nisu bile adekvatne. Da bih u potpunosti obuhvatio ono što nam podaci govore, iterativno sam usavršavao hemiju i fiziku u modelima. Na kraju smo u ovim planetama detektovali nekoliko molekula - neke po prvi put, uključujući vodonik-sulfid – rekao je on.

Jedinstven sistem planeta

Tim je pronašao veoma jasne dokaze o sumporu na trećoj planeti u sistemu, HR 8799 c, iako veruju da je on verovatno prisutan na sve tri unutrašnje planete. Takođe su otkrili da su planete bogatije teškim elementima, poput ugljenika i kiseonika, nego njihova zvezda, što je dodatni dokaz da su nastale kao planete.

- Postoji mnogo modela formiranja planeta koje treba razmotriti. Mislim da ovo pokazuje da su stariji modeli akrecije jezgra zastareli. A među novijim modelima, posmatramo one gde gasoviti džinovi mogu da formiraju čvrsta jezgra veoma daleko od svoje zvezde - izjavio je Kvin Konopaki, profesor astronomije i astrofizike na Univerzitetu Kalifornije u San Dijegu i koautora rada.

Rufio kaže da je HR 8799 donekle jedinstven jer je, do sada, to jedini sistem sa direktnim prikazom koji ima četiri masivna gasovita džina, ali postoje i drugi poznati sistemi sa jednim ili dva još veća pratioca čije poreklo ostaje nepoznato.

- Mislim da je pitanje: koliko planeta može biti velika? Može li planeta imati 15, 20, 30 puta veću masu od Jupitera, a da je i dalje nastala kao planeta? Gde je prelaz između formiranja planeta i formiranja smeđih patuljaka? – rekao je on.

Za sada, rad se nastavlja, sistem po sistem, naglašavaju istraživači.

(Telegraf Nauka/EurekAlert!)