Oddziaływania grawitacyjne w dyskach protoplanetarnych a superziemie na ciasnych orbitach

Wizja artystyczna przedstawiająca superziemię 55 Cancri e, która okrąża swoją gwiazdę macierzystą w ciągu 18 godzin. Źródło: NASA/JPL-Caltech

Galaktyka pełna jest układów planetarnych znacząco różniących się od naszego. W naszym układzie planetarnym, najbliższa planeta od Słońca – Merkury okrążający ją w ciągu 88 dni – jest także najmniejszy. Jednak Kosmiczny Teleskop Kepler odkrył tysiące układów, w których bardzo duże planety – tak zwane superziemie – znajdujące się na bardzo ciasnych orbitach okrążają swoje gwiazdy macierzyste w zaledwie 10 dni.

Teraz badacze być może odkryli w jaki sposób powstały takie planety.

Zespół astronomów kierowany przez badaczy z Penn State odkrył, że gdy planety formują się w chaotycznym otoczeniu zderzeń i sił grawitacyjnych, hydrodynamicznych i magnetycznych w gazowo-pyłowym dysku protplanetarnym otaczającym młodą gwiazdę, orbity powstających planet mogą się z nim synchronizować, co spycha je w kierunku gwiazdy centralnej. Przeprowadzone przez badaczy symulacje komputerowe prowadzą do powstawania układów planetarnych o właściwościach, które pasują do faktycznie obserwowanych za pomocą Keplera układów planetarnych. Tak symulacje jak i obserwacje wskazują potężne, skaliste superziemie krążące bardzo blisko swoich gwiazd macierzystych – mówi Daniel Carrera, adiunkt na Penn State.

Carrera twierdzi, że symulacja stanowi krok na drodze do zrozumienia dlaczego superziemie tak często odkrywamy tak blisko gwiazd macierzystych. Symulacje mogą rzucić także nowe światło na to dlaczego superziemie często odkrywamy blisko gwiazd macierzystych w układach, w których wydaje się nie być wystarczająco dużo materii stałej w dysku planetarnym, aby mogły am powstawać planety, nie mówiąc już o tak dużych planetach.

“Gdy gwiazdy są bardzo młode, otoczone są przez dysk składający się głównie z gazu z odrobiną pyłu – i to z tego pyłu pwstaja planety, takie jak Ziemia i te superziemie” mówi Carrera. “Ale zagadką jest fakt, że ten dysk nie rozciąga się aż do powierzchni samej gwiazdy. Między gwiazdą a wewnętrzną krawędzią dysku istnieje szczelina. A mimo to obserwujemy planety bliżej gwiazdy niż owa krawędź dysku”.

Komputerowe symulacje opracowane przez astronomów wskazują, że z czasem, siły grawitacyjne planet i dysk unieruchamiają planety na synchronicznych orbitach – w rezonansie. Planety następnie zaczynają jednoczesną migrację – niektóre z nich przesuwają się bliżej krawędzi dysku. Połączenie dysku gazowego wpływającego na zewnętrzne planety i grawitacyjnych interakcji między zewnętrznymi i wewnętrznymi planetami może dalej spychać wewnętrzne planety w pobliże gwiazdy, nawet w rejon znajdujący się w szczelinie między gwiazdą a dyskiem.

“Wraz z odkryciem egzoplanet o rozmiarach Jowisza krążących po orbitach znajdujących się blisko gwiazd macierzystych, astronomowie zaczęli opracowywać liczne modele procesów formowania planet, włącznie z chaotycznymi interakcjami w układach wielu planet, oddziaływaniami pływowymi i migracjami wewnątrz dysków gazowych” mówi Eric Ford, profesor astronomii, dyrektor Centrum Egzoplanet i Instytutu Cybernauk na Penn State. “Niemniej jednak owe modele nie przewidywały nowszych odkryć planet o rozmiarach superziem krążących tak blisko gwiazd macierzystych. Niektórzy astronomowie twierdzili, e takie planety musiały powstawać bardzo blisko swoich obecnych lokalizacji. Nasza praca wskazuje, że krótkookresowe superziemie mogły powstać i dopiero potem zbliżyć się do swoich gwiazd wskutek złożonych interakcji zachodzących w układach wielu planet”.

Carrera zaznacza, że potrzeba więcej badań, aby potwierdzić wiarygodność tej teorii.

“Wykazaliśmy, że możliwe jest aby planety tak bardzo zbliżyły się do swojej gwiazdy, ale nie oznacza to, że jest to jedyny sposób na osiągnięcie takiej konfiguracji orbitalnej” mówi Carrera. “Dlatego też następnym krokiem jest przetestowanie tego pomysłu, ponowna analiza, opracowanie kolejnych przewidywań i porównanie ich z obserwacjami”.

W ramach przyszłych programów badawczych, naukowcy chcą sprawdzić dlaczego nasz układ planetarny pozbawiony superziemi, różni się od większości innych znanych nam układów planetarnych.

“Superziemie na bardzo ciasnych orbitach są zdecydowanie najpowszechniejszym typem odkrywanych egzoplanet, a mimo to w naszym układzie planetarnym takiej planety nieba. Zastanawiamy się zatem dlaczego tak jest”.

Według badaczy, najlepsze szacunki wskazują, że około 30 procent gwiazd podobnych do Słońca posiada jakieś planety krążące w odległościach mniejszych niż 1AU (odległość Ziemia-Słońce). Niemniej jednak, badacze zauważają, że dodatkowe planety mogą nam umykać w trakcie obserwacji, szczególnie małe planety krążące w większych odległościach od swoich gwiazd.

Źródło: Pennsylvania State University

Author: Radek Kosarzycki

Niedoszły astronom. Prawie filolog. Aspołeczny popularyzator nauki. Kulturalny cham.