Międzynarodowa grupa badawcza, w skład której wchodzą naukowcy z UNIGE, UNIBE i PlanetS, wykazała, że podNeptuny należą do dwóch odrębnych populacji, rozstrzygając debatę w środowisku naukowym.
Większość gwiazd w naszej galaktyce posiada planety, przy czym najczęstsze są podNeptuny – planety wielkości mniej więcej od Ziemi do Neptuna. Jednak obliczenie ich gęstości stanowi wyzwanie dla naukowców. W zależności od metody pomiaru ich masy wyłaniają się dwie odrębne grupy: jedna obejmująca planety gęstsze i druga obejmująca mniej gęste.
Czy jest to spowodowane błędem obserwacyjnym, czy też fizycznym istnieniem dwóch odrębnych populacji podNeptunów? Niedawne prace NCCR PlanetS, Uniwersytetu Genewskiego (UNIGE) i Uniwersytet w Bernie (UNIBE) opowiada się za tym drugim rozwiązaniem. Więcej informacji znajdziesz w dzienniku Astronomia i astrofizyka.
W naszej galaktyce jest mnóstwo egzoplanet. Najczęściej spotykane są te pomiędzy promieniem Ziemi (około 6400 km) a Neptun (około 25 000 km), zwane „podNeptunami”. Szacuje się, że od 30% do 50% gwiazd podobnych do Słońca zawiera co najmniej jedną z nich.
Obliczenie gęstości tych planet jest wyzwaniem naukowym. Aby oszacować ich gęstość, musimy najpierw zmierzyć ich masę i promień. Problem: planety, których masa jest mierzona metodą TTV (Transit-Timing Variation), są mniej gęste niż planety, których masę zmierzono metodą prędkości radialnej, drugą możliwą metodą pomiaru.
„Metoda TTV polega na pomiarze zmian w czasie przejazdu. Oddziaływania grawitacyjne między planetami w tym samym układzie będą nieznacznie modyfikować moment, w którym planety przechodzą przed swoją gwiazdą” – wyjaśnia Jean-Baptiste Delisle, współpracownik naukowy na Wydziale Astronomii Wydziału Nauk UNIGE i współautor badania . „Z drugiej strony metoda prędkości radialnej polega na pomiarze zmian prędkości gwiazdy wywołanych obecnością wokół niej planety”.
Eliminowanie wszelkich uprzedzeń
Międzynarodowy zespół kierowany przez naukowców z NCCR PlanetS, UNIGE i UNIBE opublikował badanie wyjaśniające to zjawisko. Nie jest to spowodowane selekcją czy uprzedzeniami obserwacyjnymi, ale przyczynami fizycznymi. „Większość układów mierzonych metodą TTV znajduje się w rezonansie” – wyjaśnia Adrien Leleu, adiunkt na Wydziale Astronomii Wydziału Nauk UNIGE i główny autor badania.
Dwie planety znajdują się w rezonansie, gdy stosunek ich okresów orbitalnych jest liczbą wymierną. Na przykład, gdy planeta wykonuje dwa orbity wokół swojej gwiazdy, inna planeta wykonuje dokładnie jedno. Jeśli kilka planet znajduje się w rezonansie, tworzy to łańcuch rezonansów Laplace’a. „Zastanawialiśmy się zatem, czy istnieje wewnętrzne powiązanie między gęstością a rezonansową konfiguracją orbitalną układu planetarnego” – kontynuuje badacz.
Aby ustalić związek między gęstością a rezonansem, astronomowie musieli najpierw wykluczyć jakąkolwiek stronniczość danych, rygorystycznie wybierając układy planetarne do analizy statystycznej. Na przykład duża planeta o małej masie wykryta w tranzycie wymaga więcej czasu, aby zostać wykryta przy prędkościach radialnych. Zwiększa to ryzyko przerwania obserwacji, zanim planeta będzie widoczna w danych dotyczących prędkości radialnej, a tym samym przed oszacowaniem jej masy.
„Ten proces selekcji prowadziłby do stronniczości w literaturze na korzyść wyższych mas i gęstości planet charakteryzowanych metodą prędkości radialnych. Ponieważ nie mamy pomiarów ich mas, mniej gęste planety zostałyby wyłączone z naszych analiz” – wyjaśnia Adrien Leleu.
Po oczyszczeniu danych astronomowie byli w stanie ustalić za pomocą testów statystycznych, że gęstość podNeptunów jest mniejsza w układach rezonansowych niż ich odpowiedniki w układach nierezonansowych, niezależnie od metody zastosowanej do określenia ich masy .
Kwestia rezonansu
Naukowcy sugerują kilka możliwych wyjaśnień tego powiązania, w tym procesy związane z powstawaniem układów planetarnych. Główną hipotezą badania jest to, że wszystkie układy planetarne zbiegają się w stan łańcucha rezonansowego w pierwszych kilku momentach swojego istnienia, ale tylko 5% pozostaje stabilnych. Pozostałe 95% staje się niestabilne. Następnie łańcuch rezonansowy ulega przerwaniu, powodując serię „katastrof”, takich jak zderzenia między planetami. Planety łączą się ze sobą, zwiększając swoją gęstość, a następnie stabilizując się na nierezonansowych orbitach.
Proces ten generuje dwie bardzo różne populacje Pod-Neptunów: gęstą i mniej gęstą. „Numeryczne modele powstawania i ewolucji układów planetarnych, które opracowaliśmy w Bernie w ciągu ostatnich dwóch dekad, dokładnie odzwierciedlają ten trend: planety w rezonansie są mniej gęste. Co więcej, badanie to potwierdza, że większość układów planetarnych była miejscem gigantycznych zderzeń, podobnych lub nawet bardziej gwałtownych niż te, które doprowadziły do powstania naszego Księżyca” – podsumowuje Yann Alibert, profesor w Wydziale Badań Kosmicznych i Nauk Planetarnych (WP) UNIBE i współdyrektor Center for Space and Habitability oraz współautor badania.
Odniesienie: „Resonant sub-Neptunes are puffier” autorstwa Adriena Leleu, Jean-Baptiste Delisle, Remo Burn, André Izidoro, Stéphane Udry, Xavier Dumusque, Christophe Lovis, Sarah Millholland, Léna Parc, François Bouchy, Vincent Bourrier, Yann Alibert, João Faria, Christoph Mordasini i Damien Ségransan, 27 czerwca 2024 r., Astronomia i astrofizyka.
DOI: 10.1051/0004-6361/202450587
