Tajemniczy gazowy gigant wokół HD 114082
Redakcja
/ Komunikat prasowy Instytutu Astronomii im. Maxa Plancka
astronnews.com
30 listopada 2022 r

Astronomowie odkryli olbrzymią planetę krążącą wokół podobnej do Słońca gwiazdy HD 114082. Ten superjowisz ma zaledwie 15 milionów lat i jest najmłodszą tego rodzaju egzoplanetą, dla której określono jej promień i masę. Jednak obie wielkości są trudne do pogodzenia z powszechnie akceptowanymi modelami formowania się planet.

Astronomowie odkryli ponad 5000 egzoplanet, z których około 15 procent to gazowe olbrzymy o masie co najmniej Jowisza. Teraz grupa astronomów kierowana przez Olgę Zakozhai z Instytutu Astronomii Maxa Plancka (MPIA) w Heidelbergu i Głównego Obserwatorium Astronomicznego Narodowej Akademii Nauk Ukrainy w Kijowie odkryła egzoplanetę o nazwie HD 114082 b, która wykazuje szereg cech, które skłaniają naukowców do myślenia.

Planeta jest mniej więcej wielkości Jowisza, ale jej masa jest osiem razy większa od masy Jowisza. „W porównaniu z obecnie akceptowanymi modelami HD 114082 b jest dwa do trzech razy gęstszy jak na młodego gazowego giganta, który ma zaledwie 15 milionów lat” – mówi Zakzai. Wynikowa średnia gęstość tej gazowej planety jest dwa razy większa niż Ziemi – co jest naprawdę niezwykłe. W końcu Ziemia jest skalistą planetą z jądrem z żelaza i niklu i nie składa się z wodoru i helu, najlżejszych pierwiastków we Wszechświecie, z których prawie wyłącznie składa się Jowisz.

„HD 114082 b jest obecnie najmniejszym znanym gazowym olbrzymem o dobrze znanej masie i promieniu” – powiedział Zakzai. Obiecuje więc uczyć astronomii ogólnie o powstawaniu gazowych olbrzymów. „Uważamy, że gigantyczne planety mogą powstawać na dwa sposoby” – wyjaśnia Ralph Lönnhardt z MPIA. „Oba zjawiska występują w protoplanetarnym dysku gazu i pyłu rozprzestrzeniającym się wokół młodej gwiazdy macierzystej”. W pierwszym procesie, zwanym „akrecją rdzenia”, najpierw gromadzi się stały rdzeń materiału skalnego. Gdy osiągnie masę krytyczną, jego grawitacja przyciąga otaczający gaz, powodując szybkie gromadzenie się wodoru i helu, tworząc gigantyczną planetę. W drugim procesie, zwanym „niestabilnością dysku”, niestabilne grawitacyjnie wiązki gęstego gazu zapadają się całkowicie, tworząc gigantyczną planetę bez skalistego jądra.

W zależności od założeń przyjętych dla tych dwóch scenariuszy, gaz powinien ochładzać się z różną szybkością, co determinuje temperaturę młodych gazowych olbrzymów. Tak więc nowe planety mogą doświadczać „zimnego startu” lub „gorącego startu”, co skutkuje wyraźnymi różnicami, które mogą charakteryzować te modele, zwłaszcza w młodym wieku.

Obecnie wielu astronomów opowiada się za scenariuszem gorącego startu akrecji w jądrze planet olbrzymów, takich jak HD 114082 b. Ponieważ gorący gaz zajmuje większą objętość niż zimny gaz, należy zauważyć wyraźne różnice w rozmiarach obserwowanych planet. Ta różnica w wielkości jest najbardziej widoczna na mniejszych planetach. Jednak w ciągu pierwszych setek milionów lat chłodzenia poformacyjnego efekt ten słabnie. Na pierwszy rzut oka HD 114082 b przeczy oczekiwaniom. Połączenie masy i objętości nie pasuje do obrazu gorącego startu. Zamiast tego bardziej pasuje do scenariusza zimnego startu.

Co ciekawe, niektórzy nieco starsi kandydaci z innych badań wykazują takie samo zachowanie. „Jest za wcześnie, aby rezygnować z pomysłu gorącego startu” – wyjaśnia Lönnhardt. „Wszystko, co możemy powiedzieć, to to, że nie rozumiemy jeszcze w pełni powstawania planet olbrzymów”. HD 114082 b jest wyraźnie za mały jak na swoją masę w porównaniu do obecnych modeli. Albo ma niezwykle duży stały rdzeń, albo modele są błędne i nie doceniają szybkości, z jaką te gazowe olbrzymy mogą się ochładzać, albo jedno i drugie.

Odkrycie HD 114082 b jest wynikiem wszechstronnego programu obserwacyjnego o nazwie RVSPY (Radial Velocity Survey for Planets Around Young Stars). Obecnie składa się z 775 godzin obserwacji za pomocą 2,2-metrowego teleskopu ESO/MPG zasilanego przez MPIA w La Silla w Chile należącego do Europejskiego Obserwatorium Południowego (ESO), obejmującego okres 4,5 roku. RVSPY jest dobrym przykładem wysokowydajnych badań astronomicznych prowadzonych na teleskopach ze stałym dostępem przez długi czas. Takie badania nie byłyby możliwe przy użyciu najnowocześniejszych teleskopów, ponieważ czas obserwacji dla każdego projektu jest bardzo ograniczony ze względu na duże zapotrzebowanie.

Celem RVSPY jest ujawnienie liczby i rozmieszczenia planet olbrzymów (gorących, ciepłych i zimnych) wokół młodych gwiazd. W tym celu astronomowie zarejestrowali szeregi czasowe widm 111 młodych gwiazd, czyli rozbili światło gwiazd na podstawowe składniki barwne, podobne do tego, co widzimy w tęczy. Małe okresowe przesunięcia w widmach gwiazd mogą wskazywać na obserwowane oscylacje gwiazdy, spowodowane przyciąganiem grawitacyjnym planety na orbicie. Ogólnie rzecz biorąc, aktywność gwiazd, taka jak pulsacje lub rozbłyski, może wpływać na pomiary, szczególnie w przypadku młodych gwiazd, takich jak HD 114082. Jednak jakość danych RVSPY jest wystarczająco dobra, aby bezbłędnie zidentyfikować sygnał z gwiazdy na biegunach. Zespół uwzględnił również stare dane archiwalne z innych teleskopów, aby rozszerzyć zasięg w przeszłość.

Podczas gdy astronomowie używają tak zwanej metody prędkości radialnej, aby wywnioskować masę i okres obiegu planety wokół jej gwiazdy macierzystej, muszą skorzystać z innej techniki, aby określić jej rozmiar: metody tranzytów. Okresowe lekkie zaćmienia gwiazdy są obserwowane przez planetę przechodzącą przed gwiazdą. „Już podejrzewaliśmy, że orbita planety uformowała się prawie z boku, od czasu odkrycia pierścienia pyłu wokół HD 114082 kilka lat temu” – mówi Zakzai. „Mieliśmy jednak szczęście, że znaleźliśmy obserwację w danych TESS z imponującą tranzytową krzywą blasku, która poprawiła naszą analizę”.

TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) to sonda kosmiczna NASA, która szuka egzoplanet wokół gwiazd stosunkowo blisko Ziemi. Uwzględniając te pomiary, Zakouzi i jej współpracownicy odkryli, że HD 114082 b okrąża swoją gwiazdę macierzystą podobną do Słońca w 110 dni w odległości około 0,5 AU. Jednostka astronomiczna to średnia odległość między Słońcem a Ziemią. Jest więc podobny do orbity Merkurego wokół naszego Słońca.

HD 114082 b jest jedną z zaledwie trzech młodych planet-olbrzymów, liczących do 30 milionów lat, których rozmiar i rozmiary są znane. Wszystkie z nich mogą kolidować z najpopularniejszymi akceptowanymi modelami szybkiego startu. Chociaż astronomowie używają statystyk o niskiej liczbie z trzema planetami, jest mało prawdopodobne, aby wszystkie te planety były odstające. „Chociaż potrzeba więcej takich planet, aby potwierdzić ten trend, uważamy, że teoretycy powinni ponownie rozważyć swoje obliczenia” – powiedział Zakzai. „To ekscytujące, jak wyniki naszych obserwacji wpływają na teorię formowania się planet. Pomagają poszerzyć naszą wiedzę na temat formowania się tych gigantycznych planet i pokazują nam, gdzie leżą luki w naszym rozumieniu”.

Zespół informuje o obserwacjach HD 114082 b w artykule naukowym opublikowanym w czasopiśmie Nature Astronomia i astrofizyka Pojawił się.