Według nowych badań świeże spojrzenie na wcześniejsze dane ujawnia, że egzoplanety z masami podobnymi do Jowisza powstały znacznie wcześniej niż wcześniej sądzono.
Wyniki studium Uniwersytetu Ohio State dostarczają nowych informacji na temat czasu akrecji – procesu gromadzenia dużej ilości gazu, a także cząstek stałych, które są bogate w węgiel i tlen, aby wytwarzać duże planety, takie jak Jowisz.
Planety powstają z dysków protoplanetarnych, wirujących chmur pyłu i gazu, które są idealnymi składnikami do tworzenia planety. To nowe badanie sugeruje, że akrecja ma miejsce wcześnie, gdy dyski są ogromne i znacznie młodsze niż wcześniej uważali badacze.
Podczas gdy liczba nowo potwierdzonych egzoplanet stale rośnie, pochodzenie tych światów i czynniki wpływające na ich tworzenie to naukowcy z puzzli wciąż dążą do rozwiązania. Na przykład w pełni utworzenie egzoplanet podobnych do Jowisza początkowo traktowano prawie 3 do 5 milionów lat; Ostatnie obserwacje sugerują teraz, że dla giganta gazowego, takiego jak Jowisz, proces ten jest prawdopodobnie bliższy około 1 do 2 milionów lat.
To odkrycie kwestionuje istniejące teorie naukowców dotyczących „wieku” dysków protoplanetarnych, które powstały te planety, powiedział Ji Wang, autor badania i asystent profesora astronomii w stanie Ohio. Wyniki mogą doprowadzić naukowców do ponownej oceny i przebudowy ich teorii tworzenia planety dla Układu Słonecznego i innych krajów.
„Wszystko, co wiemy o egzoplanetach, można umieścić w kontekście Układu Słonecznego i odwrotnie” – powiedział Wang. „Zwykle tworzenie planet jest schematem oddolnym, co oznacza, że zaczyna się od małych obiektów, które gromadzą się, tworząc większą planetę, ale w ten sposób wymaga czasu”.
Chociaż egzoplanety odnoszą się do obiektów planetarnych, które orbitują daleko poza granice naszego Układu Słonecznego, zrozumienie, w jaki sposób formują się, może pomóc badaczom uzyskać większy wgląd w ewolucję Układu Słonecznego i wczesnej Ziemi, których formacja była znacznie późniejsza niż Jowisza, ale nadal miał na to wpływ.
Interpretacja „oddolna” formacji planetarnej nazywa się „teorią akrecji podstawowej”, ale innym możliwym mechanizmem formacji jest powstanie planet poprzez niestabilność grawitacyjną-gdy kępy na dysku wokół gwiazdy są zbyt masowe, aby utrzymać się i upadać, aby utworzyć planety. Ponieważ historia akrecji planety może być ściśle powiązana z tymi dwoma przekonującymi, ale uzupełniającymi mechanizmami ewolucji, powiedział, że ważne jest, który proces jest częściej.
Badanie zostało niedawno opublikowane w The Astrophysical Journal.
W badaniu przeanalizowano próbkę siedmiu gigantycznych egzoplanet gazowych, których gwiezdne i planetarne właściwości chemiczne zostały już bezpośrednio zmierzone w poprzednich badaniach i porównano je z danymi na temat gigantów gazowych w naszym Układzie Słonecznym, Jowisza i Saturna.
Wang wykazał, że wczesne tworzenie tych egzoplanet jest zgodne z najnowszymi dowodami, które Jowisz powstał znacznie wcześniej niż wcześniej sądzono. Odkrycie to opiera się na zaskakująco dużej ilości ciał stałych, które te egzoplanety akretowały.
Wszystkie materiały na początku tworzenia planety zwiększają metaliczność jej atmosfery, a obserwując ślady, które pozostawiają za sobą, naukowcy są w stanie zmierzyć ilość ciał stałych, które kiedyś zebrała planeta.
Im wyższa metalialność, tym więcej ciał stałych i metali – wszystko na stole okresowym bardziej masywnym niż wodór i hel – naukowcy mogą zakładać, że podczas procesu formacji akretuje, powiedział Wang.
„Możemy wywnioskować, że każda z pięciu planet pobrała próbkę, uzyskali równowartość ciał stałych o wartości 50 mas ziemskich” – powiedział. „Tak dużą ilość ciał stałych można znaleźć tylko wtedy, gdy system jest mniej więcej niż 2 miliony lat, ale w naszym Układzie Słonecznym całkowita dostępna substancje stałe jest tylko rzędu o wartości 30 do 50 mas ziemnych”.
Te nowe dane sugerują, że elementy konstrukcyjne używane do utworzenia egzoplanet były dostępne na wcześniejszym etapie ewolucji dysku protoplanetarnego niż się spodziewano, a ich dostępność tych elementów budulcowych znacznie spadła w ciągu milionów lat. Ponieważ naukowcy zwykle nie oczekują dowodu, że planety utworzyły się tak wcześnie, jest to odkrycie, że obecne teorie prawdopodobnie będą miały trudności z pogodzeniem, powiedział Wang.
„Te egzoplanki powstały tak wcześnie, że nadal dostępny był duży zbiornik metali” – powiedział Wang. „Jest to coś, na co społeczność naukowa nie była w pełni przygotowana, więc teraz będą musieli walczyć, aby wymyślić nowe teorie, aby to wyjaśnić”.
Ponieważ giganci gazowi przyciągają ogromne ilości materii podczas narastania, ich tworzenie i migracja w przestrzeni wpływają również na rozwój skalistych planet w innym miejscu na dysku protoplanetarnym. Uważa się, że w Układzie Słonecznym zjawisko to spowodowało wypchnięcie rtęci z pierwotnej orbity i spowodowało, że Mars stał się znacznie mniejszy niż Ziemia lub Wenus.
To powiedziawszy, aby pomóc astronomom w przeprowadzeniu podobnych analiz formacji planetarnych w przyszłości, prace zapewniają również ramy statystyczne do wnioskowania całkowitej masy stałej akrecji dla każdej innej egzoplanety, którą uwagi badań może być idealnym narzędziem do badania innych rodzajów danych elementarnych.
I chociaż badania te opierały się wyłącznie na danych archiwalnych, Wang spodziewa się, że jego praca zostanie dodatkowo uzupełniona nowymi danymi o wysokiej rozdzielczości gromadzone przez lepsze instrumenty, takie jak potężniejsze naziemne obserwatorie astronomiczne lub technologie nowej generacji, takie jak James Webb Space Telescope.
„Rozszerzając tę pracę o większą próbkę egzoplanet, mamy nadzieję, że trend dowodów znalezionych w tym artykule będzie nadal utrzymywany” – powiedział Wang.
Ta praca była wspierana przez National Science Foundation.