Astronomowie z Niemiec i Szwajcarii odkryli dowody na to, jak wyłania się zagadkowa luka w rozkładzie wielkości egzoplanet w odległości około dwóch promieni Ziemi. Ich symulacje komputerowe pokazują, że migracja lodowych, tak zwanych sub-Neptunów do wewnętrznych obszarów ich układów planetarnych może wyjaśniać to zjawisko. Gdy zbliżają się do gwiazdy centralnej, parujący lód wodny tworzy atmosferę, która sprawia, że planety wydają się większe niż w stanie zamrożonym. Jednocześnie mniejsze planety skaliste stopniowo tracą część swojej pierwotnej otoczki gazowej, powodując z czasem kurczenie się ich zmierzonego promienia.
Zwykle planety w rozwiniętych układach planetarnych, takich jak Układ Słoneczny, krążą po stabilnych orbitach wokół swojej gwiazdy centralnej. Jednakże wiele wskazuje na to, że niektóre planety mogą opuścić swoje miejsca narodzin podczas swojej wczesnej ewolucji, migrując do wewnątrz lub na zewnątrz. Ta migracja planet może również wyjaśniać obserwację, która intryguje badaczy od kilku lat: stosunkowo niewielka liczba egzoplanet o rozmiarach około dwukrotnie większych od Ziemi, znanych jako dolina promienia lub szczelina. I odwrotnie, istnieje wiele egzoplanet mniejszych i większych od tego rozmiaru.
„Sześć lat temu ponowna analiza danych z kosmicznego teleskopu Keplera ujawniła niedobór egzoplanet o rozmiarach około dwóch promieni Ziemi” – wyjaśnia Remo Burn, badacz egzoplanet w Instytucie Astronomii Maxa Plancka (MPIA) w Heidelbergu. Jest głównym autorem artykułu opisującego ustalenia przedstawione w tym artykule, opublikowanego obecnie w Nature Astronomy.
Skąd pochodzi dolina promieniowa?
„W rzeczywistości my – podobnie jak inne grupy badawcze – przewidywaliśmy na podstawie naszych obliczeń jeszcze przed tą obserwacją, że taka luka musi istnieć” – wyjaśnia współautor Christoph Mordasini, członek Narodowego Centrum Kompetencji w dziedzinie Badań ( NCCR) Planety. Kieruje Wydziałem Badań Kosmicznych i Nauk Planetarnych na Uniwersytecie w Bernie. Przewidywanie to powstało podczas jego pracy jako naukowca w MPIA, które od wielu lat prowadzi badania w tej dziedzinie wspólnie z Uniwersytetem w Bernie.
Najczęściej sugerowanym mechanizmem wyjaśniającym pojawienie się takiej doliny promieniowej jest to, że planety mogą utracić część swojej pierwotnej atmosfery w wyniku napromieniowania gwiazdy centralnej – zwłaszcza lotnych gazów, takich jak wodór i hel. „Jednakże w tym wyjaśnieniu pomija się wpływ migracji planet” – wyjaśnia Burn. Od około 40 lat ustalono, że w pewnych warunkach planety mogą z czasem przemieszczać się do wewnątrz i na zewnątrz układów planetarnych. To, jak efektywna jest ta migracja i w jakim stopniu wpływa na rozwój układów planetarnych, wpływa na jej wkład w tworzenie doliny promieniowej.
Enigmatyczne pod-Neptuny
Zakres rozmiarów otaczających lukę zamieszkują dwa różne typy egzoplanet. Z jednej strony istnieją planety skaliste, które mogą być masywniejsze od Ziemi i dlatego nazywane są super-Ziemiami. Z drugiej strony astronomowie coraz częściej odkrywają tzw. sub-Neptuny (także mini-Neptuny) w odległych układach planetarnych, które są średnio nieco większe od superziemi.
„Jednakże w Układzie Słonecznym nie ma tej klasy egzoplanet” – zauważa Burn. „Dlatego nawet dzisiaj nie jesteśmy do końca pewni ich struktury i składu”.
Mimo to astronomowie zasadniczo zgadzają się, że planety te posiadają znacznie bardziej rozbudowane atmosfery niż planety skaliste. W związku z tym zrozumienie, w jaki sposób cechy tych podNeptunów przyczyniają się do szczeliny promieniowej, było niepewne. Czy luka może w ogóle sugerować, że te dwa typy światów tworzą się inaczej?
Wędrujące lodowe planety
„Na podstawie symulacji, które opublikowaliśmy już w 2020 r., najnowsze wyniki wskazują i potwierdzają, że zamiast tego ewolucja podNeptunów po ich narodzinach znacząco przyczynia się do obserwowanej doliny promieniowej” – podsumowuje Julia Venturini z Uniwersytetu Genewskiego. Jest członkiem wspomnianej powyżej współpracy PlanetS i kierowała badaniem 2020.
W lodowych obszarach swoich narodzin, gdzie planety otrzymują niewielką ilość ocieplającego promieniowania od gwiazdy, podNeptuny rzeczywiście powinny mieć rozmiary, których nie ma w obserwowanym rozkładzie. Gdy te przypuszczalnie lodowe planety migrują bliżej gwiazdy, lód topnieje, ostatecznie tworząc gęstą atmosferę pary wodnej.
Proces ten skutkuje przesunięciem promieni planet na większe wartości. Przecież obserwacje zastosowane do pomiaru promieni planet nie są w stanie rozróżnić, czy określony rozmiar wynika z samej stałej części planety, czy z dodatkowej gęstej atmosfery.
Jednocześnie, jak już sugerowano na poprzednim zdjęciu, planety skaliste „kurczą się” poprzez utratę atmosfery. Ogólnie rzecz biorąc, oba mechanizmy powodują brak planet o rozmiarach wokół dwóch promieni Ziemi.
Fizyczne modele komputerowe symulujące układy planetarne
„Teoretyczne badania grupy Bern-Heidelberg już w przeszłości znacząco poszerzyły naszą wiedzę na temat powstawania i składu układów planetarnych” – wyjaśnia dyrektor MPIA Thomas Henning. „Obecne badanie jest zatem wynikiem wielu lat wspólnych prac przygotowawczych i ciągłego udoskonalania modeli fizycznych”.
Najnowsze wyniki pochodzą z obliczeń modeli fizycznych, które śledzą powstawanie planet i późniejszą ewolucję. Obejmują procesy zachodzące w dyskach gazowych i pyłowych otaczających młode gwiazdy, w wyniku których powstają nowe planety. Modele te obejmują powstawanie atmosfer, mieszanie się różnych gazów i migrację promieniową.
„Główne znaczenie w tym badaniu miały właściwości wody pod ciśnieniem i w temperaturach występujących wewnątrz planet i w ich atmosferach” – wyjaśnia Burn. Zrozumienie zachowania wody w szerokim zakresie ciśnień i temperatur ma kluczowe znaczenie dla symulacji. Dopiero w ostatnich latach wiedza ta była na wystarczającym poziomie. To właśnie ten składnik pozwala na realistyczne obliczenie zachowania podNeptuna, wyjaśniając tym samym występowanie rozległych atmosfer w cieplejszych regionach.
„To niezwykłe, jak tak jak w tym przypadku właściwości fizyczne na poziomie molekularnym wpływają na procesy astronomiczne na dużą skalę, takie jak powstawanie atmosfer planetarnych” – dodaje Henning.
„Gdybyśmy rozszerzyli nasze wyniki na chłodniejsze regiony, gdzie woda jest w stanie ciekłym, mogłoby to sugerować istnienie wodnych światów z głębokimi oceanami” – mówi Mordasini. „Takie planety mogłyby potencjalnie gościć życie, a ze względu na swoje rozmiary byłyby stosunkowo prostym celem poszukiwań biomarkerów”.
Dalsza praca przed nami
Jednak obecne prace to tylko ważny kamień milowy. Chociaż symulowany rozkład wielkości jest bardzo zbliżony do obserwowanego, a odstęp promieniowy jest na właściwym miejscu, w szczegółach nadal występują pewne niespójności. Na przykład w obliczeniach zbyt wiele planet lodowych znajduje się zbyt blisko gwiazdy centralnej. Niemniej jednak badacze nie postrzegają tej okoliczności jako wady, ale mają nadzieję dowiedzieć się w ten sposób więcej na temat migracji planet.
Pomocne mogą być również obserwacje za pomocą teleskopów, takich jak Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) lub będący w budowie Ekstremalnie Wielki Teleskop (ELT). Byłyby w stanie określić skład planet w zależności od ich wielkości, zapewniając w ten sposób test dla opisanych tutaj symulacji.