W naszym Układzie Słonecznym wszystko wydaje się być w porządku: mniejsze skaliste planety, takie jak Wenus, Ziemia czy Mars, krążą stosunkowo blisko naszej gwiazdy. Z drugiej strony duże gazowe i lodowe olbrzymy, takie jak Jowisz, Saturn czy Neptun, poruszają się po szerokich orbitach wokół Słońca. W dwóch badaniach opublikowanych w czasopiśmie naukowym Astronomy & Astrophysics naukowcy z uniwersytetów w Bernie i Genewie oraz z Narodowego Centrum Kompetencji Badań (NCCR) PlanetS pokazują, że nasz układ planetarny jest pod tym względem dość wyjątkowy.
Jak groszek w strąku
„Ponad dekadę temu astronomowie zauważyli, opierając się na obserwacjach dokonanych za pomocą przełomowego wówczas teleskopu Keplera, że planety w innych układach zwykle przypominają swoich sąsiadów pod względem wielkości i masy – jak groszek w strąku” – mówi główny autor badań Lokesh Mishra, badacz na Uniwersytecie w Bernie i Genewie, a także w NCCR PlanetS. Ale przez długi czas nie było jasne, czy to odkrycie wynikało z ograniczeń metod obserwacyjnych. „Nie było możliwe ustalenie, czy planety w jakimkolwiek pojedynczym układzie były wystarczająco podobne, aby należeć do klasy układów„ groszku w strąku ”, czy też były raczej różne – tak jak w naszym Układzie Słonecznym” – mówi Mishra.
Dlatego badaczka opracowała ramy do określenia różnic i podobieństw między planetami z tych samych układów. Robiąc to, odkrył, że istnieją nie dwie, ale cztery takie architektury systemów.
Cztery klasy układów planetarnych
„Nazywamy te cztery klasy„ podobnymi ”,„ uporządkowanymi ”,„ antyuporządkowanymi ”i„ mieszanymi ”- mówi Mishra. Układy planetarne, w których masy sąsiednich planet są do siebie podobne, mają podobną architekturę. Uporządkowane układy planetarne to takie, w których masa planet ma tendencję do zwiększania się wraz z odległością od gwiazdy – podobnie jak w naszym Układzie Słonecznym. Jeśli z drugiej strony masa planet z grubsza maleje wraz z odległością od gwiazdy, badacze mówią o antyuporządkowanej architekturze układu. Mieszane architektury występują, gdy masy planetarne w systemie różnią się znacznie w zależności od planety.
„Ta rama może być również zastosowana do dowolnych innych pomiarów, takich jak promień, gęstość lub frakcje wody” – mówi współautor badania Yann Alibert, profesor nauk planetarnych na Uniwersytecie w Bernie i NCCR PlanetS. „Teraz po raz pierwszy mamy narzędzie do badania układów planetarnych jako całości i porównywania ich z innymi układami”.
Odkrycia rodzą również pytania: Która architektura jest najpowszechniejsza? Jakie czynniki kontrolują pojawienie się typu architektury? Które czynniki nie grają roli? Na niektóre z nich naukowcy mogą odpowiedzieć.
Most rozciągający się na miliardy lat
„Nasze wyniki pokazują, że„ podobne ”układy planetarne są najczęstszym rodzajem architektury. Około ośmiu na dziesięć układów planetarnych wokół gwiazd widocznych na nocnym niebie ma„ podobną ”architekturę” – mówi Mishra. „To również wyjaśnia, dlaczego dowody na istnienie tej architektury zostały znalezione w ciągu pierwszych kilku miesięcy misji Keplera”. Zespół zaskoczył fakt, że „uporządkowana” architektura – obejmująca również układ słoneczny – wydaje się być najrzadszą klasą.
Według Mishry istnieją przesłanki, że rolę odgrywa zarówno masa dysku gazowego i pyłowego, z którego wyłaniają się planety, jak i obfitość ciężkich pierwiastków w danej gwieździe. „Z raczej małych dysków o małej masie i gwiazd z kilkoma ciężkimi pierwiastkami wyłaniają się„ podobne ”systemy planetarne. Duże, masywne dyski z wieloma ciężkimi pierwiastkami w gwieździe dają początek bardziej uporządkowanym i antyuporządkowanym układom. Układy mieszane wyłaniają się z medium dysków. Dynamiczne interakcje między planetami – takie jak zderzenia lub wyrzuty – wpływają na ostateczną architekturę” – wyjaśnia Mishra.
„Niezwykłym aspektem tych wyników jest to, że łączą one początkowe warunki formowania się planet i gwiazd z mierzalną właściwością: architekturą systemu. Między nimi leżą miliardy lat ewolucji. Po raz pierwszy udało nam się pokonać ten ogromny luki czasowej i tworzenie dających się przetestować prognoz. Ekscytujące będzie zobaczyć, czy się utrzymają” – podsumowuje Alibert.