Dzika orbita planety dostarcza wskazówek, jak kształtują się tak duże, gorące planety.
Zespół astronomów odkrył młodą planetę TIC 241249530 b, która przechodzi w gorącą Jupiter. Ta planeta, znajdująca się na wyjątkowej ekscentrycznej orbicie wstecznej, jest kluczem do zrozumienia dynamicznych procesów, które przekształcają odległe, lodowe olbrzymy w płonące, przytulające się do gwiazd światy.
Gorące Jowisze to jedne z najbardziej ekstremalnych planet w galaktyce. Te palące światy są tak masywne jak Jowisz i krążą szaleńczo blisko swojej gwiazdy, obracając się w ciągu kilku dni w porównaniu do spokojnego, trwającego 4000 dni orbitowania naszego gazowego giganta wokół Słońca.
Naukowcy podejrzewają jednak, że gorące Jowisze nie zawsze były tak gorące i w rzeczywistości mogły uformować się jako „zimne Jowisze” w bardziej chłodnym, odległym otoczeniu. Jednak to, w jaki sposób ewoluowały i stały się gazowymi olbrzymami otaczającymi gwiazdy, obserwowanymi dzisiaj przez astronomów, pozostaje wielką niewiadomą.
Odkrycie planety przodków
Teraz astronomowie z MITPenn State University i gdzie indziej odkryli „przodka” gorącego Jowisza — rodzaj młodej planety, która jest w trakcie stawania się gorącym Jowiszem. Jej orbita dostarcza odpowiedzi na pytanie, w jaki sposób ewoluują gorące Jowisze.
Nowa planeta, którą astronomowie oznaczyli jako TIC 241249530 b, krąży wokół gwiazdy znajdującej się około 1100 lat świetlnych od Ziemi. Planeta okrąża swoją gwiazdę po bardzo „ekscentrycznej” orbicie, co oznacza, że podchodzi bardzo blisko gwiazdy, po czym wystrzeliwuje daleko, a następnie zawraca po wąskim, eliptycznym obwodzie. Gdyby planeta była częścią naszego Układu Słonecznego, zbliżyłaby się do Słońca 10 razy bliżej Słońca niż Merkury, po czym wyleciała tuż obok Ziemi i z powrotem. Według szacunków naukowców rozciągnięta orbita planety ma największą ekscentryczność ze wszystkich odkrytych do tej pory planet.
Unikalna dynamika orbitalna
Orbita nowej planety jest również wyjątkowa ze względu na jej „wsteczną” orientację. W przeciwieństwie do Ziemi i innych planet Układu Słonecznego, które krążą w tym samym kierunku, w którym obraca się Słońce, nowa planeta porusza się w kierunku przeciwnym do obrotu jej gwiazdy.
Zespół przeprowadził symulacje dynamiki orbity i odkrył, że wysoce ekscentryczna i wsteczna orbita planety wskazuje na prawdopodobną ewolucję planety w gorącego Jowisza w drodze „migracji z dużym mimośrodem” – procesu, w wyniku którego orbita planety chwieje się i stopniowo kurczy w miarę oddziałuje z inną gwiazdą lub planetą na znacznie szerszej orbicie.
W przypadku TIC 241249530 b badacze ustalili, że planeta krąży wokół gwiazdy pierwotnej, która z kolei krąży wokół gwiazdy wtórnej, jako część gwiazdowego układu podwójnego. Interakcje między dwiema orbitami – planety i jej gwiazdy – spowodowały, że planeta z czasem stopniowo migrowała bliżej swojej gwiazdy.
Ewolucja gorącego Jowisza
Orbita planety ma obecnie kształt eliptyczny, a pełne okrążenie wokół gwiazdy zajmuje jej około 167 dni. Naukowcy przewidują, że za miliard lat planeta migruje na znacznie ciaśniejszą, kołową orbitę, a następnie będzie co kilka dni okrążać swoją gwiazdę. W tym momencie planeta w pełni przekształci się w gorącego Jowisza.
„Ta nowa planeta potwierdza teorię, że migracja z dużą ekscentrycznością powinna odpowiadać za pewien ułamek gorących Jowiszów” – mówi Sarah Millholland, adiunkt fizyki w Instytucie Astrofizyki i Badań Kosmicznych Kavli w MIT. „Uważamy, że w momencie powstania tej planety świat był lodowaty. A ze względu na dramatyczną dynamikę orbity za około miliard lat stanie się gorącym Jowiszem o temperaturze kilku tysięcy kelwinów. Jest to zatem ogromna zmiana w stosunku do miejsca, w którym się zaczęło.”
Millholland i jej współpracownicy opublikowali niedawno swoje odkrycia w czasopiśmie Natura. Jej współautorami są student MIT Haedam Im, główny autor Arvind Gupta z Penn State University i NSF NOIRLaboraz współpracownicy z wielu innych uniwersytetów, instytucji i obserwatoriów.
„Radykalne pory roku”
Nową planetę po raz pierwszy dostrzeżono w danych zebranych przez NASASatelita do badania tranzytowych egzoplanet (TESS), misja kierowana przez MIT, która monitoruje jasność pobliskich gwiazd pod kątem „tranzytów” lub krótkich spadków światła gwiazd, które mogą sygnalizować obecność planety przechodzącej przed światłem gwiazdy i tymczasowo ją blokującej.
12 stycznia 2020 r. TESS wykrył możliwe tranzyt gwiazdy TIC 241249530. Gupta i jego współpracownicy z Penn State ustalili, że tranzyt jest zgodny z przejściem planety wielkości Jowisza przed gwiazdą. Następnie uzyskali pomiary z innych obserwatoriów prędkości radialnej gwiazdy, co pozwala oszacować wahania gwiazdy, czyli stopień, w jakim porusza się ona tam i z powrotem, w odpowiedzi na inne pobliskie obiekty, które mogą przyciągać gwiazdę grawitacyjnie.
Pomiary te potwierdziły, że wokół gwiazdy krąży planeta wielkości Jowisza, a jej orbita jest bardzo ekscentryczna, co powoduje, że planeta znajduje się bardzo blisko gwiazdy, a następnie zostaje odrzucona daleko.
Przed tym odkryciem astronomowie znali tylko jedną planetę, HD 80606 b, którą uważano za wczesnego, gorącego Jowisza. Ta planeta, odkryta w 2001 roku, do tej pory była rekordzistą pod względem największej ekscentryczności.
„Ta nowa planeta doświadcza naprawdę dramatycznych zmian w świetle gwiazd na całej swojej orbicie” – mówi Millholland. „Muszą istnieć naprawdę radykalne pory roku i absolutnie spalona atmosfera za każdym razem, gdy przechodzi blisko gwiazdy”.
„Taniec Orbit”
Jak planeta mogła spaść na tak ekstremalną orbitę? I jak jego ekscentryczność może ewoluować w czasie? Aby uzyskać odpowiedzi, Im i Millholland przeprowadzili symulacje dynamiki orbit planet, aby modelować ewolucję planety w swojej historii i sposób, w jaki może ona przetrwać przez setki milionów lat.
Zespół modelował oddziaływania grawitacyjne pomiędzy planetą, jej gwiazdą i drugą pobliską gwiazdą. Gupta i jego współpracownicy zaobserwowali, że obie gwiazdy krążą wokół siebie w układzie podwójnym, podczas gdy planeta jednocześnie krąży wokół bliższej gwiazdy. Konfiguracja tych dwóch orbit przypomina trochę cyrkową artystkę kręcącą hula-hop wokół talii, jednocześnie kręcąc drugie hula-hop wokół nadgarstka.
Millholland i Im przeprowadzili wiele symulacji, każdą z innym zestawem warunków początkowych, aby zobaczyć, które warunki, prowadzone przez kilka miliardów lat, dały konfigurację orbit planet i gwiazd obserwowaną obecnie przez zespół Gupty. Następnie przeprowadzili najlepsze dopasowanie jeszcze dalej w przyszłość, aby przewidzieć ewolucję systemu w ciągu następnych kilku miliardów lat.
Symulacje te ujawniły, że nowa planeta prawdopodobnie jest w trakcie ewolucji w gorącego Jowisza: kilka miliardów lat temu planeta uformowała się jako zimny Jowisz, daleko od swojej gwiazdy, w obszarze wystarczająco zimnym, aby skondensować się i przyjąć kształt. Nowo utworzona planeta prawdopodobnie krążyła wokół gwiazdy po okręgu. Jednak ta konwencjonalna orbita stopniowo się rozciągała i stawała coraz bardziej ekscentryczna, w miarę jak działały na nią siły grawitacyjne pochodzące z niewyrównanej orbity gwiazdy z jej drugą, podwójną gwiazdą.
„To dość ekstremalny proces, ponieważ zmiany na orbicie planety są ogromne” – mówi Millholland. „To wielki taniec orbit, który trwa przez miliardy lat, a planeta po prostu idzie naprzód”.
Symulacje pokazują, że za kolejny miliard lat orbita planety ustabilizuje się na bliskim, kołowym torze wokół swojej gwiazdy.
„Wtedy planeta całkowicie stanie się gorącym Jowiszem” – mówi Millholland.
Obserwacje zespołu wraz z symulacjami ewolucji planety potwierdzają teorię, że gorące Jowisze mogą powstawać w wyniku migracji mimośrodowej – procesu, w którym planeta stopniowo przemieszcza się na swoje miejsce w wyniku ekstremalnych zmian jej orbity w czasie.
„Nie tylko z tego, ale także z innych badań statystycznych jasno wynika, że migracja o dużej mimośrodowości powinna odpowiadać za pewien ułamek gorących Jowiszów” – zauważa Millholland. „Ten system pokazuje, jak niesamowicie różnorodne mogą być egzoplanety. Są to tajemnicze inne światy, które mogą mieć dzikie orbity, które opowiadają historię o tym, jak dotarli na tę stronę i dokąd zmierzają. W przypadku tej planety podróż jeszcze się nie zakończyła.”
„Naprawdę trudno jest uchwycić tych gorących przodków Jowisza „w akcji”, gdy przechodzą swoje superekscentryczne epizody, dlatego bardzo ekscytujące jest znalezienie układu, który przechodzi ten proces” – mówi Smadar Naoz, profesor fizyki i astronomii na Uniwersytecie z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles, który nie był zaangażowany w badanie. „Wierzę, że to odkrycie otwiera drzwi do głębszego zrozumienia konfiguracji narodzin układu egzoplanetarnego”.
Więcej informacji na temat tego badania:
Odniesienie: „Protoplasta gorącego Jowisza na superekscentrycznej orbicie wstecznej”: Arvind F. Gupta, Sarah C. Millholland, Haedam Im, Jiayin Dong, Jonathan M. Jackson, Ilaria Carleo, Jessica Libby-Roberts, Megan Delamer, Mark R. Giovinazzi, Andrea SJ Lin, Shubham Kanodia, Xian-Yu Wang, Keivan Stassun, Thomas Masseron, Diana Dragomir, Suvrath Mahadevan, Jason Wright, Jaime A. Alvarado-Montes, Chad Bender, Cullen H. Blake, Douglas Caldwell, Caleb I. Cañas, William D. Cochran, Paul Dalba, Mark E. Everett, Pipa Fernandez, Eli Golub, Bruno Guillet, Samuel Halverson, Leslie Hebb, Jesus Higuera, Chelsea X. Huang, Jessica Klusmeyer, Rachel Knight, Liouba Leroux, Sarah E. Logsdon, Margaret Loose, Michael W. McElwain, Andrew Monson, Joe P. Ninan, Grzegorz Nowak, Enric Palle, Yatrik Patel, Joshua Pepper, Michael Primm, Jayadev Rajagopal, Paul Robertson, Arpita Roy, Donald P. Schneider, Christian Schwab, Heidi Schweiker, Lauren Sgro, Masao Shimizu, Georges Simard, Guðmundur Stefánsson, Daniel J. Stevens, Steven Villanueva, John Wisniewski, Stefan Will i Carl Ziegler, 17 lipca 2024 r., Natura.
DOI: 10.1038/s41586-024-07688-3
