Astronomowie odkryli planetę podobną do Ziemi, krążącą wokół a[{” attribute=”” tabindex=”0″ role=”link”>white dwarf 4,000 light years away, offering a glimpse into our own planet’s distant future.
The discovery suggests that Earth might escape being swallowed by the sun when it expands into a red giant, moving to a larger orbit and potentially ending up around a white dwarf.
Discovery of an Earth-like Planet
The discovery of an Earth-like planet 4,000 light years away in the Milky Way offers a glimpse into what our own planet’s fate could be billions of years from now. By then, the sun will have transformed into a white dwarf, and Earth may be a frozen, barren world orbiting far beyond its current path.
This distant planetary system, discovered by astronomers at the University of California, Berkeley, using the Keck 10-meter telescope in Hawaii, bears a striking resemblance to what scientists predict for the future sun-Earth system. It consists of a white dwarf, roughly half the mass of our sun, and an Earth-sized planet orbiting at twice the Earth-Sun distance.
Earth’s Inevitable Cosmic Evolution
This scenario could indeed be Earth’s destiny. As the sun ages, it will expand into a red giant, swelling beyond Earth’s current orbit and engulfing Mercury and Venus. As it loses mass, its gravitational hold will weaken, causing the remaining planets, including Earth, to drift to more distant orbits. Eventually, the red giant will shed its outer layers, leaving only a dense white dwarf core, the size of a planet with the mass of a star. If Earth survives this process, it might find itself orbiting this stellar remnant at about twice its current distance from the sun.
The discovery, to be published this week in the journal Nature Astronomy, tells scientists about the evolution of main sequence stars, like the sun, through the red giant phase to a white dwarf, and how it affects the planets around them. Some studies suggest that for the sun, this process could begin in about 1 billion years, eventually vaporizing Earth’s oceans and doubling Earth’s orbital radius — if the expanding star doesn’t engulf our planet first.
Eventually, about 8 billion years from now, the sun’s outer layers will have dispersed to leave behind a dense, glowing ball — a white dwarf — that is about half the mass of the sun, but smaller in size than Earth.
Film przedstawiający jeden z możliwych losów Ziemi, gdy Słońce przekształca się w czerwonego olbrzyma. Jeśli czerwony olbrzym straci swoją masę wystarczająco szybko, aby umożliwić Ziemi migrację na szerszą orbitę, uniknie pochłonięcia przez rozszerzającą się powierzchnię czerwonego olbrzyma, ostatecznie osiadając na orbicie około dwukrotnie większej od obecnej. Jednak w trakcie tego procesu zamieni się w planetę wypełnioną lawą, przez co nie będzie nadawała się do zamieszkania na długo przed tym, zanim czerwony olbrzym stanie się białym karłem. Naukowcy odkryli jeden przykład planety podobnej do Ziemi, która uniknęła zniszczenia i obecnie krąży wokół białego karła, co pokazuje, że jest to możliwe. Źródło: Obserwatorium WM Kecka/Adam Makarenko
Projekcje na przyszłość i bieżące analizy
„Obecnie nie osiągnęliśmy konsensusu co do tego, czy Ziemia mogłaby uniknąć pochłonięcia przez czerwonego olbrzyma w ciągu 6 miliardów lat” – powiedział kierownik badania Keming Zhang, były doktorant na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley, obecnie Eric i Wendy Schmidt AI in Science Stypendysta podoktorski na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego. „W każdym razie planeta Ziemia będzie nadawała się do zamieszkania przez około kolejny miliard lat, kiedy to ziemskie oceany wyparują w wyniku niekontrolowanego efektu cieplarnianego – na długo przed ryzykiem połknięcia przez czerwonego olbrzyma”.
Układ planetarny jest jednym z przykładów planety, która przetrwała, chociaż znajduje się daleko poza zamieszkiwalną strefą słabego białego karła i jest mało prawdopodobne, aby było na niej życie. Być może w pewnym momencie istniały na niej warunki nadające się do zamieszkania, kiedy jej gospodarzem była jeszcze gwiazda podobna do Słońca.
„Nie wiadomo, czy życie może przetrwać na Ziemi przez ten okres (czerwonego olbrzyma). Ale z pewnością najważniejsze jest to, aby Ziemia nie została połknięta przez Słońce, gdy stanie się czerwonym olbrzymem” – powiedziała Jessica Lu, profesor nadzwyczajny i katedra astronomii na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley. „Układ znaleziony przez Keminga jest przykładem planety – prawdopodobnie planety podobnej do Ziemi, pierwotnie znajdującej się na orbicie podobnej do Ziemi – która przetrwała fazę czerwonego olbrzyma swojej gwiazdy macierzystej.”
Spostrzeżenia z wydarzeń związanych z mikrosoczewkowaniem
Odległy układ planetarny, położony w pobliżu zgrubienia w centrum naszej galaktyki, zwrócił uwagę astronomów w 2020 roku, kiedy przeszedł przed bardziej odległą gwiazdą i zwiększył światło tej gwiazdy 1000-krotnie. Grawitacja układu działała jak soczewka skupiająca i wzmacniająca światło gwiazdy tła.
Zespół, który odkrył to „zdarzenie mikrosoczewkowania”, nazwał je KMT-2020-BLG-0414, ponieważ zostało wykryte przez Koreańską Sieć Teleskopów Mikrosoczewkowych na półkuli południowej. Powiększenie gwiazdy tła – również znajdującej się w Drodze Mlecznej, ale oddalonej o około 25 000 lat świetlnych od Ziemi – wciąż było jedynie punkcikiem światła. Niemniej jednak jego zróżnicowanie w intensywności w ciągu około dwóch miesięcy pozwoliło na zespół do oszacowania że układ składa się z gwiazdy o masie około połowy masy Słońca, planety o masie Ziemi i bardzo dużej planety o masie około 17 mas Słońca Jupiter — prawdopodobnie brązowy karzeł. Brązowe karły to nieudane gwiazdy, których masa jest niewiele większa od masy wymaganej do zainicjowania syntezy jądrowej w jądrze.
Z analizy wynika również, że planeta podobna do Ziemi znajdowała się w odległości od 1 do 2 jednostek astronomicznych od gwiazdy, czyli około dwukrotnie większej odległości między Ziemią a Słońcem. Nie było jasne, jakiego rodzaju gwiazdą była ta gwiazda, ponieważ jej światło ginęło w blasku powiększonej gwiazdy tła i kilku pobliskich gwiazd.
Poszerzanie granic badań egzoplanet
Aby zidentyfikować typ gwiazdy, Zhang i jego współpracownicy, w tym astronomowie z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley, Jessica Lu i Joshua Bloom, przyjrzeli się bliżej systemowi soczewkowania w 2023 r. za pomocą 10-metrowego teleskopu Keck II na Hawajach, wyposażonego w optykę adaptacyjną eliminującą rozmycie z atmosfery. Ponieważ obserwowali układ trzy lata po zdarzeniu soczewkującym, gwiazda tła, która kiedyś została powiększona 1000 razy, stała się na tyle słaba, że gwiazda soczewkująca powinna być widoczna, gdyby była typową gwiazdą ciągu głównego, taką jak Słońce, powiedział Lu.
Ale Zhang niczego nie wykrył na dwóch oddzielnych obrazach Kecka.
„Nasze wnioski opierają się na wykluczeniu alternatywnych scenariuszy, ponieważ normalną gwiazdę można by łatwo dostrzec” – powiedział Zhang. „Ponieważ soczewka jest ciemna i ma małą masę, doszliśmy do wniosku, że może to być tylko biały karzeł”.
„To przypadek, w którym widzenie niczego jest w rzeczywistości bardziej interesujące niż zobaczenie czegoś” – powiedział Lu, który szuka zjawisk mikrosoczewkowania powodowanych przez swobodnie unoszące się w Drodze Mlecznej czarne dziury o masach gwiazdowych.
Znajdowanie egzoplanet za pomocą mikrosoczewkowania
Odkrycie jest częścią projektu Zhanga, mającego na celu dokładniejsze zbadanie zjawisk mikrosoczewkowania, które wskazują na obecność planet, w celu zrozumienia, wokół jakich typów gwiazd żyją egzoplanety.
„Trzeba mieć w tym trochę szczęścia, ponieważ można się spodziewać, że mniej niż jedna na 10 gwiazd mikrosoczewkowanych z planetami będzie białymi karłami” – powiedział Zhang.
Nowe obserwacje pozwoliły także Zhangowi i współpracownikom rozwiązać niejasności dotyczące lokalizacji brązowego karła.
„Oryginalna analiza wykazała, że brązowy karzeł albo znajduje się na bardzo szerokiej orbicie, np Neptun’s, czyli daleko na orbicie Merkurego. Olbrzymie planety na bardzo małych orbitach są w rzeczywistości dość powszechne poza Układem Słonecznym” – powiedział Zhang, odnosząc się do klasy planet zwanych gorącymi Jowiszami. „Ale skoro teraz wiemy, że krąży wokół pozostałości po gwiezdnej atmosferze, jest to mało prawdopodobne, ponieważ zostałby pochłonięty”.
Niejednoznaczność modelowania wynika z tak zwanej degeneracji mikrosoczewkowania, w której dwie różne konfiguracje soczewkowania mogą powodować ten sam efekt soczewkowania. Ta degeneracja jest powiązana z tą Zhangiem i Bloomem odkryta w 2022 r wykorzystanie metody sztucznej inteligencji do analizy symulacji mikrosoczewkowania. Zhang zastosował również tę samą technikę sztucznej inteligencji, aby wykluczyć alternatywne modele KMT-2020-BLG-0414, które mogły zostać pominięte.
„Mikrosoczewkowanie stało się bardzo interesującą metodą badania innych układów gwiezdnych, których nie można zaobserwować i wykryć konwencjonalnymi metodami, tj. metodą tranzytu lub metodą prędkości radialnej” – powiedział Bloom. „Istnieje cały zestaw światów, które teraz otwierają się przed nami poprzez kanał mikrosoczewkowania, a ekscytujące jest to, że jesteśmy o krok od znalezienia takich egzotycznych konfiguracji”.
Konsekwencje dla przyszłości ludzkości
Jeden cel NASATeleskop Rzymski Nancy Grace, którego wystrzelenie zaplanowano na 2027 r., ma mierzyć krzywe blasku pochodzące od zdarzeń mikrosoczewkowania, aby znaleźć egzoplanety, z których wiele będzie wymagało obserwacji za pomocą innych teleskopów w celu zidentyfikowania typów gwiazd, w których znajdują się egzoplanety.
„Wymagane jest uważne monitorowanie najlepszych obiektów na świecie, tj. optyki adaptacyjnej i Obserwatorium Kecka, nie tylko dzień lub miesiąc później, ale wiele, wiele lat w przyszłość, po tym jak soczewka odsunie się od gwiazdy tła abyś mógł zacząć ujednoznaczniać to, co widzisz” – powiedział Bloom.
Zhang zauważył, że nawet jeśli Ziemia zostanie pochłonięta podczas fazy czerwonego olbrzyma Słońca za około miliard lat, ludzkość może znaleźć schronienie w zewnętrznym Układzie Słonecznym. Kilka księżyców Jowisza, takich jak EuropyKallisto i Ganimedes, a dookoła Enceladus Saturnwydają się mieć zamarznięte oceany wodne, które prawdopodobnie rozmrożą się w miarę rozszerzania się zewnętrznych warstw czerwonego olbrzyma.
„W miarę jak Słońce stanie się czerwonym olbrzymem, zamieszkała strefa przesunie się w okolice orbity Jowisza i Saturna, a wiele z tych księżyców stanie się planetami oceanicznymi” – powiedział Zhang. „Myślę, że w takim przypadku ludzkość mogłaby tam wyemigrować”.
Odniesienie: „Planeta o masie Ziemi i brązowy karzeł na orbicie wokół białego karła” autorstwa Keminga Zhanga, Weichenga Zanga, Kareema El-Badry’ego, Jessiki R. Lu, Joshuy S. Blooma, Erica Agola, B. Scotta Gaudiego, Quinna Konopacki, Natalie LeBaron, Shude Mao i Sean Terry, 26 września 2024 r., Astronomia przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41550-024-02375-9
Innymi współautorami są Weicheng Zang i Shude Mao z Uniwersytetu Tsinghua w Pekinie w Chinach, którzy są współautorami pierwszego artykułu na temat KMT-2020-BLG-0414; były doktorant Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley, Kareem El-Badry, obecnie adiunkt w California Institute of Technology w Pasadenie; Eric Agol z Uniwersytet Waszyngtoński w Seattle; B. Scott Gaudi z Ohio State University w Columbus; Quinn Konopacki z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego; Natalie LeBaron z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley; i Sean Terry z Uniwersytetu Maryland w College Park.
