Być może wcale nie są to planety.
Przynajmniej nie w takiej formie, w jakiej jesteśmy przyzwyczajeni je przedstawiać.
Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) odkrywa tajemnice układu HR 8799 i odkrywa tam obraz daleki od ideału. Ogromne światy, o masie od pięciu do dziesięciu razy większej od Jowisza, dryfują po zimnych zewnętrznych obszarach układu.
Klasyczne teorie głosiły, że coś takiego nie powinno mieć miejsca.
Debata formacyjna
Jak rodzi się potwór taki jak Jowisz?
Naukowcy dzielą się na dwa obozy. Jedna ze stron opowiada się za teorią akrecji jądra: fragmenty skał i lodu stopniowo gromadzą pył w dysku protoplanetarnym, aż ich grawitacja stanie się wystarczająco silna, aby rozpocząć wychwytywanie gazu. Proces ten jest powolny, stopniowy i chaotyczny.
Druga strona stawia na niestabilność grawitacyjną. Część dysku zapada się w sobie. Proces ten jest szybki, chaotyczny i bardziej przypomina narodziny gwiazd niż planet.
Brązowe karły zajmują szarą strefę pomiędzy tymi dwoma scenariuszami.
Nazywamy je „nieudanymi gwiazdami”. Są zbyt lekkie, aby wywołać reakcję termojądrową syntezy wodoru, ale nie można ich też nazwać planetami. Granica zawsze była niewyraźna.
Wszystko sprowadza się do masy. Gwiazdy syntetyzują wodór. Brązowe karły syntetyzują deuter (i to tylko przez krótki czas). Gazowe olbrzymy niczego nie syntetyzują. Po prostu istnieją i powoli ochładzają się.
Ale gdzie dokładnie narysujemy tę linię? Przy 13 masach Jowisza? W wieku 80 lat?
Astronomowie debatują nad tym od dziesięcioleci.
System HR 8799 zniszczył ich modele. Jej cztery planety krążą w dużych odległościach od swojej gwiazdy – 15–70 razy dalej niż Ziemia od Słońca. Podstawowa teoria akrecji twierdziła, że planety nie mogą powstawać w takiej odległości. Nie było wystarczająco dużo czasu. Dysk gazowy musiał zostać rozproszony przez młodą gwiazdę na długo zanim takie olbrzymy zdążyły zgromadzić wystarczającą masę.
Analiza atmosferyczna
Dlatego zespół z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego (UC San Diego) szukał wskazówek w atmosferach tych obiektów.
Spektroskopia. Analiza światła.
Przed Webbem teleskopy naziemne badały wodę i tlenek węgla. Były to odpowiednie markery, ale ich pochodzenie pozostało niejednoznaczne. Nie można było stwierdzić, czy cząsteczki te powstały wraz z planetą, czy też przybyły do jej atmosfery z zewnątrz.
Zespół zmienił cel badania. Zwrócili swoją uwagę na siarkę.
Siarka jest pierwiastkiem ogniotrwałym. W gorących warunkach dysku protoplanetarnego pozostaje on w stanie stałym. Jeśli w atmosferze gazowego giganta znajduje się siarka, oznacza to, że planeta ta najprawdopodobniej „skondensowała” swoje stałe jądro. To bezpośrednio wskazuje na mechanizm akrecji rdzenia.
Nie zapadnięciu się grawitacyjnemu.
Jean-Baptiste Ruffio z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego nie tylko obserwował obiekty; musiał wymyślić nowe metody analizy. Planety były 10 milionów razy ciemniejsze od swojej gwiazdy macierzystej. Poziom zakłóceń był ogłuszający. Odfiltrował je.
Co znaleźli?
Siarkowodór.
A także wiele ciężkich pierwiastków – węgiel, tlen, siarka. Te planety są „wzbogacone”. Zawierają więcej metali niż ich gwiazda macierzysta. Gwiazdy tak nie działają. Brązowe karły, które powstają z zapadających się chmur niczym gwiazdy, mają tendencję do odzwierciedlania składu chemicznego swoich przodków. Te obiekty nie są.
Sami zbudowali.
„Układ HR 8799 prawdopodobnie uformował się podobnie do Jowisza, mimo że jego planety były od 5 do 10 razy masywniejsze” – Jean-Baptiste Ruffio
Przełamanie granic
Stare podręczniki podlegają rewizji.
Albo nawet całkowite zniszczenie.
Quinn Konopacki, profesor astronomii zaangażowany w badania, ujął to bez ogródek:
Stare modele? Przestarzały.
Mamy do czynienia z nowymi koncepcjami, w których masywne planety tworzą skaliste jądra w niewiarygodnych odległościach od swojej gwiazdy macierzystej. To całkowicie zmienia geografię powstawania planet.
Wszystko to ma sens, jeśli pamięta się, że system HR 8799 ma zaledwie 30 milionów lat. Jest dzieckiem w porównaniu z naszym Układem Słonecznym mającym 4,6 miliarda lat. Ciepło powstające w procesie formowania jest nadal emitowane.
Ale pytania pozostają.
Oto przykra prawda.
To masywne obiekty. Najbardziej masywne kandydatki na egzoplanety znajdują się na dziwnej „ziemi niczyjej”.
Co to jest planeta?
Czy planeta mogłaby mieć masę 20 Jowiszy? Albo 30?
W pewnym momencie masa staje się tak duża, że rozróżnienie pomiędzy „planetą powstałą w wyniku akrecji” a „nieudaną gwiazdą powstałą w wyniku zapadnięcia się” zaciera się. Nie wiemy jeszcze, gdzie dokładnie następuje to przełączenie.
Układ HR 8799 udowodnił, że planety-olbrzymy mogą powstawać w wyniku akrecji jąder na odległych, ciemnych obrzeżach galaktyki.
To pozostawia całkowicie otwartą górną granicę masy.
Znaleźliśmy jedną odpowiedź. Ale zrodziło to nowe, większe i cichsze pytanie.
