Meniace sa planéty

  • Marcel Škreka | 20 Marec 2022
    Exoplanéty
Umelecká ilustrácia mini-Neptúna TOI 560.01. Planéta, ktorá obieha blízko svojej hviezdy stráca svoju nafúknutú atmosféru a môže sa nakoniec premeniť na super-Zem. Kredit: Adam Makarenko (Keck Observatory)
Svety okolo iných hviezd môžu meniť svoju klasifikáciu.

Ak by naša slnečná sústava bola súpravou pre nadšencov, boli by v nej zabalené štyri kamenné (terestriálne) planéty, ako je Zem a štyri plynné obrie planéty ako Jupiter.

Okolo niektorých hviezd však astronómovia objavili vzácny typ planét, ktoré sa v našej slnečnej sústave nenachádzajú. Nie sú príliš veľké ani príliš malé. Rozmerovo sú medzi Zemou a Neptúnom. Najmenšie z nich sú husté „super-Zeme“ o niečo väčšie ako Zem, najväčšie sú nafúknutejšie takzvané „mini-Neptúny“ menšie ako Neptún.

Astronómovia zostavujú celkový obraz o tom, ako tento druh „chýbajúcich“ planét vzniká. Zdá sa, že mini-Neptúny sa rodia ako menšie, hustejšie verzie planéty Neptún. Žiarenie blízkej materskej hviezdy však ohrieva ich vodíkovo-héliovú atmosféru, a tá potom uniká do okolitého priestoru. Planéta prechádza na akúsi rýchlu diétu. Stráca veľa hmoty, kým nezostane len husté skalnaté jadro väčšie ako Zem, ktoré si môže zachovať tenkú vrstvu atmosféry.

Astronómovia pomocou Hubbleovho vesmírneho ďalekohľadu a Keckových ďalekohľadov identifikovali dva rôzne prípady „mini-Neptúnov“, ktoré strácajú svoju nafúknutú atmosféru a pravdepodobne sa menia na super-Zeme. Žiarenie materských hviezd zbavuje planéty ich atmosfér. Horúci plyn z nich uniká ako para z hrnca s vriacou vodou. Sledovanie týchto procesov nám pomôže objasniť ako sa tieto exotické svety formujú a vyvíjajú a vysvetliť zvláštnu medzeru v rozložení veľkosti planét.

Mini-Neptúny sú menšie hustejšie verzie planéty Neptún a predpokladá sa, že pozostávajú z veľkých skalných jadier obklopených hrubými vrstvami plynu. V nových štúdiách použil tím astronómov Hubbleov vesmírny ďalekohľad na pozorovanie dvoch mini-Neptúnov obiehajúcich okolo HD 63433, hviezdy vzdialenej 73 ly (svetelných rokov). Observatórium W. M. Kecka na Havaji použili zasa na štúdium jedného z dvoch mini-Neptúnov v hviezdnom systéme TOI 560, vzdialeného 103 ly.

Výsledky pozorovaní ukázali, že z vnútornejšieho mini-Neptúna v systéme TOI 560, nazývaného TOI 560.01 a zo vzdialenejšieho mini-Neptúna v systéme HD 63433, označovaného HD 63433c uniká atmosférický plyn, čo naznačuje, že by sa mohli meniť na super-Zeme.

"Väčšina astronómov mala podozrenie, že mladé mini-Neptúny musia mať vyparujúcu sa atmosféru," povedal Michael Zhang, hlavný autor oboch štúdií a postgraduálny študent na Caltech ", no nikto ich zatiaľ pri tomto procese nezachytil."
Štúdia tiež prekvapivo zistila, že plyn okolo TOI 560.01 uniká prevažne smerom k hviezde.

"Bolo to neočakávané, pretože väčšina modelov predpovedá, že plyn by mal prúdiť preč od hviezdy," povedala profesorka planetárnej vedy Heather Knutson z Caltechu, Zhangova poradkyňa a spoluautorka štúdie. "Stále sa musíme veľa učiť o tom, ako toto vyparovanie atmosfér funguje v praxi."

Od polovice 90. rokov, kedy boli objavené prvé exoplanéty obiehajúce okolo Slnku podobných hviezd, našli sa tisíce ďalších exoplanét. Mnohé z nich obiehajú blízko svojich hviezd a tie menšie, skalnaté vo všeobecnosti spadajú do dvoch skupín: mini-Neptúny a super-Zeme. Super-Zeme majú 1,6-násobok veľkosti Zeme (príležitostne až 1,75), zatiaľ čo mini-Neptúny sú 2 až 4-krát väčšie ako Zem. V tomto rozsahu bolo doteraz okolo iných hviezd objavených len málo planét.

Jedným z možných vysvetlení tejto veľkostnej medzery je, že mini-Neptúny sa transformujú na super-Zeme. Predpokladá sa, že mini-Neptúny sú obklopené prvotnými atmosférami pozostávajúcimi z vodíka a hélia. Vodík a hélium zostali pri formovaní centrálnej hviezdy vznikajúcej z oblakov plynu a prachu. Vedci tvrdia, že ak je mini-Neptún dostatočne malý a dostatočne blízko k svojej hviezde, röntgenové a ultrafialové žiarenie hviezdy môže odviať jeho prvotnú atmosféru v priebehu stoviek miliónov rokov. To by potom zanechalo skalnatú super-Zem s podstatne menším priemerom (ktorá by si teoreticky mohla stále zachovať relatívne tenkú atmosféru podobnú tej, ktorá obklopuje našu planétu Zem).

"Planéta vo veľkostnej medzere by mala dostatok atmosféry na to, aby nafúkla svoj polomer, čím by zachytila viac hviezdneho žiarenia, a tým umožnila rýchlu stratu hmoty," povedal Zhang. „Atmosféra je však dostatočne riedka na to, aby sa rýchlo stratila. To je dôvod, prečo by planéta nezostala v medzere dlho."

Iné scenáre by podľa astronómov mohli vysvetliť rozdiel vo veľkosti. Napríklad menšie kamenné planéty možno nikdy nenahromadili plynové obálky a mini-Neptúny by mohli byť vodnými svetmi a nie obalené plynným vodíkom. Tento najnovší objav dvoch mini-Neptúnov s unikajúcou atmosférou predstavuje prvý priamy dôkaz podporujúci teóriu, že mini-Neptúny sa skutočne menia na super-Zeme.

Astronómom sa podarilo odhaliť unikajúce atmosféry sledovaním prechodu mini-Neptúnov pred ich hostiteľskými hviezdami. Planéty nie je možné vidieť priamo, ale keď z nášho pohľadu prechádzajú pred svojimi hviezdami, ďalekohľady môžu hľadať absorpciu hviezdneho svetla atómami v atmosfére planét. V prípade mini-Neptúna TOI 560.01 výskumníci našli znaky hélia. Pre hviezdny systém HD 63433 tím našiel znaky vodíka na najvzdialenejšej planéte s názvom HD 63433c, ale nie na vnútornej planéte HD 63433b.

„Vnútorná planéta už možno stratila atmosféru,“ vysvetlil Zhang.

„Rýchlosť plynov je dôkazom toho, že atmosféry unikajú. Pozorované hélium okolo TOI 560.01 sa pohybuje rýchlosťou 20 km/s, zatiaľ čo vodík okolo HD 63433c sa pohybuje rýchlosťou 50 km/s. Gravitácia týchto mini-Neptúnov nie je dostatočne silná, aby udržala taký rýchlo sa pohybujúci plyn. Rozsah unikania atmosfér do okolia planét je výrazný. Plynný obal okolo TOI 560.01 je aspoň 3,5-krát väčší ako polomer planéty a obal okolo HD 63433c je aspoň 12-krát väčší ako polomer planéty.“

Pozorovania tiež odhalili, že plyn unikajúci z TOI 560.01 prúdil smerom k hviezde. Budúce pozorovania ďalších mini-Neptúnov by mali odhaliť, či je TOI 560.01 anomáliou, alebo či sa atmosférický odtok smerom dovnútra vyskytuje častejšie.

"Ako exoplanetárni vedci sme sa naučili očakávať neočakávané," povedala Knutson. "Tieto exotické svety nás neustále prekvapujú novou fyzikou, ktorá presahuje rámec toho, čo pozorujeme v našej slnečnej sústave."