Na podstawie danych zebranych przez sondę Gaia oraz jej poprzednika sondę Hipparcos udało się ustalić masę bardzo młodej egzoplanety.
Astronomowie Ignas Snellen oraz Anthony Brown z Uniwersytetu w Lejdzie ustalili masę planety beta Pictoris b na podstawie ruchu jego gwiazdy macierzystej na przestrzeni długiego okresu czasu w trakcie trwania misji Gaia oraz Hipparcos.
Planeta jest gazowym olbrzymem podobnym do Jowisza ale – według najnowszych szacunków – 9 do 13 razy masywniejszym oraz krąży wokół gwiazdy beta Pictoris, drugiej pod względem jasności gwiazdy w gwiazdozbiorze Malarza (Pictor).
Planeta została odkryta w 2008 roku na zdjęciach wykonanych za pomocą teleskopu VLT w Chile. Zarówno planeta jak i gwiazda mają zaledwie około 20 milionów lat czyli są 225 razy młodsze od Układu Słonecznego. Ich młody wiek sprawia, że układ jest intrygujący, ale także trudny do badania za pomocą konwencjonalnych metod.
„W układzie beta Pictoris planeta właściwie dopiero się uformowała” mówi Ignas. „Dzięki temu możemy obserwować jak planety powstają i jak zachowują się na wczesnych stadiach ewolucji. Z drugiej strony, jej gwiazda macierzysta jest bardzo gorąca, szybko rotuje i pulsuje”.
To zachowanie sprawia, że astronomowie mają trudności próbując precyzyjnie zmierzyć prędkość radialną gwiazdy (prędkość z którą okresowo gwiazda porusza się w stronę Ziemi, a następnie od Ziemi). Niewielkie zmiany prędkości radialnej gwiazdy, spowodowane przez grawitacyjne oddziaływanie planet znajdujących się w jej pobliżu zazwyczaj wykorzystywane są do oszacowania masy tych egzoplanet. Jednak ta metoda sprawdza się głównie w układach, które burzliwe wczesne etapy ewolucji mają już za sobą.
W przypadku beta Pictoris b, górne ograniczenia zakresu masy planety ustalono już przed wykorzystaniem metody prędkości radialnych. Aby uzyskać lepsze szacunki, astronomowie skorzystali z innej metody, wykorzystując do tego pomiary wykonane przez sondy Hipparcos i Gaia, które zawierały precyzyjnie ustalone położenie oraz ruch gwiazdy macierzystej na niebie.
„Gwiazdy poruszają się z różnych powodów” mówi Ignas. „Po pierwsze, gwiazda krąży wokół centrum Drogi Mlecznej, tak samo jak i Słońce. Z Ziemi ten ruch widoczny jest jako ruch liniowy na niebie. To tak zwany ruch własny. Następnie mamy także efekt paralaksy spowodowany ruchem Ziemi wokół Słońca. Wskutek tego ruchu widzimy gwiazdą pod nieco różnymi kątami”.
Do tego możemy dołożyć także to co astronomowie określają „niewielkimi wahaniami” trajektorii gwiazdy po niebie – delikatne odchylenia od oczekiwanego kursu spowodowane przez grawitacyjne przyciąganie spowodowane przez planety krążące wokół gwiazdy. To te same wahania, które możemy mierzyć jako zmiany prędkości radialnej – ale względem innego kierunku – na płaszczyźnie nieba, a nie wzdłuż linii wzroku.
„Poszukujemy odchyleń od tego czego oczekiwalibyśmy gdyby wokół gwiazdy nie krążyły żadne planety, a następnie mierzymy masę planety na podstawie wielkości tego odchylenia” mówi Anthony. „Im masywniejsza planeta, tym większe będzie odchylenie”.
Aby takie pomiary były możliwe, astronomowie musieliby obserwować trajektorię gwiazdy przez długi okres czasu, aby dobrze zrozumieć ruch własny gwiazdy oraz wpływ paralaksy.
Misja Gaia zaprojektowana do obserwacji ponad miliarda gwiazd w naszej galaktyce, z czasem dostarczy nam informacji o ogromnej liczbie egzoplanet. W ciągu 22 miesięcy obserwacji uwzględnionych w drugim zestawie opublikowanych w kwietniu danych satelita zmierzyła beta Pictoris około trzydziestu razy. To jednak wciąż za mało.
„Gaia odkryje tysiące egzoplanet. To wciąż znajduje się na naszej liście celów” mówi Timo Prusti, naukowiec projektu Gaia w ESA. „Dane o egzoplanetach możemy uzyskać dopiero pod koniec misji, ponieważ pomiary delikatnych wahań gwiazd spowodowanych przez planety wymagają śledzenia położenia gwiazd przez kilka dobrych lat”.
Połączenie pomiarów z misji Gaia z pomiarami z Hipparcosa, który obserwował beta Pictoris 111 razy w latach 1990-1993, pozwoliło Ignasowi i Anthony’emu uzyskać wyniki znacznie wcześniej. Dzięki temu po raz pierwszy udało się oszacować masę młodej planety na podstawie pomiarów astrometrycznych.
„Łącząc dane z Hipparcosa i Gai oddzielone od siebie o około 25 lat, otrzymujemy bardzo długie pomiary ruchu własnego” mówi Anthony.
„Ten ruch własny zawiera także komponent spowodowany przez krążącą wokół gwiazdy planetę. Hipparcos sam w sobie nie był w stanie odkryć tej planety, bowiem gwiazda zachowywała się jak zwykła, normalna pojedyncza gwiazda. Do odkrycia planety potrzeba było znacznie dłuższego okresu obserwacji”.
„Teraz, łącząc dane z Gai i Hipparcosa i otrzymując długoterminowe zmiany i krótkoterminowe ruchy własne, możemy dostrzec wpływ planety na gwiazdę”.
Wyniki stanowią istotny krok na drodze do lepszego zrozumienia procesów formowania planet i wskazują na ekscytujące odkrycia egzoplanet wraz z kolejnymi zestawami danych z misji Gaia.
Źródło: ESA