Egzoplaneta wielkości Neptuna jest zbyt duża w stosunku do swojej gwiazdy macierzystej

Trochę wygrywasz i trochę przegrywasz. Na początku tygodnia obserwacje Kosmicznego Teleskopu Webba dostarczyły nowych danych potwierdzających naszą wiedzę na temat powstawania planet. W czwartek nadeszła wiadomość, że astronomowie zauważyli dużą planetę krążącą blisko młodej gwiazdy, gwiazdy tak małej, że nie ma wokół niej wystarczającej ilości materiału, aby utworzyć planetę tej wielkości.

Nie oznacza to, że planeta jest „niemożliwa”. Oznacza to jednak, że możemy nie w pełni zrozumieć niektóre aspekty powstawania planet.

Duże niedopasowanie

LHS 3154 jest, według wszelkich rozsądnych standardów, małą, słabą gwiazdą. Zdjęcia wykonane przez zespół odpowiedzialny za nowe prace wskazują, że masa czerwonego karła stanowi zaledwie 11% masy Słońca. Szacunkowa temperatura wynosi około 2850 K, czyli znacznie poniżej temperatury Słońca wynoszącej 5800 K i ledwo wystarczająco ciepłej, aby nie zaliczać się do kategorii ultrazimnych karłów. (Tak, superfajne krasnoludy to wystarczająca rzecz, na którą warto zasłużyć Ich wpis w Wikipedii.)

Odkryliśmy wiele takich planet wokół czerwonych karłów. Ale w większości był mały i skalisty. Dzieje się tak prawdopodobnie dlatego, że młode gwiazdy po prostu powstały w dyskach niezawierających dużej ilości materiału. Było więc pewnym zaskoczeniem, gdy dane wskazały bardzo dużą planetę wokół LHS 3154. Odkryto ją za pomocą teleskopu w Obserwatorium McDonalda w Teksasie.

Naukowcy wykorzystali pomiary prędkości radialnej do określenia masy planety. Metoda ta wykrywa przesunięcia Dopplera w świetle gwiazd spowodowane przez grawitację planety, która przyciąga gwiazdę bliżej lub dalej od Ziemi, w zależności od tego, dokąd zmierza orbita planety. Metodą tą można obliczyć jedynie minimalną masę planety. Dzieje się tak, ponieważ orbita planety byłaby nachylona względem Ziemi, przez co część grawitacji planety byłaby odbiegająca od osi.

Szacunki te wskazują, że nowo odkryta planeta LHS 3154b ma masę co najmniej 13 razy większą od masy Ziemi, co czyni ją nieco mniejszą od Neptuna. (Ponownie jest to wartość niedoszacowana, więc mogłaby być większa.) Planety tej wielkości rzadko można znaleźć wokół tak małych gwiazd. Kiedy tak się dzieje, zwykle znajdują się znacznie dalej od swoich gwiazd niż LHS 3154b, któremu pełne okrążenie zajmuje zaledwie 3,7 dnia. Zatem LHS 3154b jest na tyle niezwykły, że wydaje się wymagać wyjaśnienia.

Idź na całość

W przypadkach, gdy wokół małych gwiazd istnieją duże planety, wydaje się, że powstają one w wyniku fragmentacji dysku na początku procesu formowania się gwiazd – jest to ten sam proces, który tworzy gwiazdy podwójne, ale o mniejszej masie, w wyniku której powstaje planeta. Naukowcy odkryli, że LHS 3154b jest znacznie większa niż planety powstałe w symulacjach tego procesu i znacznie bliżej swojej gwiazdy macierzystej.

Dlatego naukowcy sprawdzili, czy inne wzorce powstawania planet mogłyby wytworzyć coś takiego jak LHS 3154b. Uzyskali szacunki ilości materiału w dyskach planetotwórczych wokół gwiazd o masie podobnej do masy LHS 3154. Następnie wykorzystali je do symulacji powstawania planet w wyniku akrecji małego materiału skalistego lub w wyniku zderzeń między planetozymalami. Generalnie nie udało im się wytworzyć wystarczająco dużych planet.

Aby w sposób ciągły formować coś tak dużego jak LHS 3154b, badacze musieli zmieniać warunki początkowe, tak aby w dysku tworzącym planety znajdowało się 10 razy więcej materiału.

Wskazuje to, że nasze obecne modele mechanizmów powstawania planet nie są w stanie wyjaśnić przynajmniej jednej z naszych obserwacji. LHS 3154b może być całkiem wyjątkowa, a jeśli tak, to nie powinniśmy spodziewać się, że zobaczymy coś podobnego ani w naszych modelach, ani w dodatkowych obserwacjach. Jeśli połączyć niepewności modeli i niepewności pomiarów dysku, mogłoby to potencjalnie pozwolić na istnienie czegoś takiego jak ta planeta.

Jednak badacze wzięli również pod uwagę pomysł, że LHS 3154b może nam powiedzieć coś o naszych modelach. Jedną z opcji, która może wyjaśniać tę sytuację, jest to, że większość materiału w dyskach, w których powstają planety, ma postać kamyczków o skali centymetrowej, których nie dałoby się wykryć przy długościach fal, których używaliśmy do badania tych dysków.

Innym powodem jest niedopasowanie czasowe pomiędzy momentem, w którym zwykle uzyskujemy dobre zdjęcia dysków tworzących planety, a momentem, w którym faktycznie następuje powstawanie planet. Oczekuje się, że ilość materiału w dysku formującym planetę będzie się z czasem zmniejszać, w miarę jak nowo utworzona gwiazda nagrzewa się i wydala materię. Jeśli skaliste jądro LHS 3154b uformuje się wystarczająco wcześnie, może nadal wychwytywać materię nawet po tym, jak dysk zacznie się rozrzedzać do gęstości materiału stosowanej w tych symulacjach.

Najłatwiejszym sposobem sprawdzenia, która z tych możliwości pomoże wyjaśnić LHS 3154b, jest większa liczba obserwacji czerwonych karłów. Powinny one nam powiedzieć, czy istnieją inne podobne planety i być może pomóc wyjaśnić, ile materiału znajduje się w dyskach tworzących planety.

Nauka, 2023. DOI: 10.1126/science.abo0233 (O identyfikatorach cyfrowych).