Wszechświat, choć rządzony prawami fizyki, rzadko bywa tak uporządkowany, jak chcieliby tego autorzy podręczników. Przez dekady astronomowie starali się kategoryzować obiekty niebieskie w oparciu o ich masę i sposób powstania, tworząc wyraźne podziały na gwiazdy, planety i stany pośrednie. Jednak najnowsze badania, opublikowane w periodyku „The Astronomical Journal”, sugerują, że nasze starania, by zamknąć kosmos w sztywnych ramach, mogą być skazane na niepowodzenie. Zespół naukowców pod przewodnictwem astronoma Gregory’ego Gilberta z University of California Los Angeles (UCLA) dowodzi, że linia graniczna między masywnymi planetami a niewielkimi gwiazdami jest w rzeczywistości rozmytym kontinuum.
W centrum tej astronomicznej zagadki znajdują się brązowe karły – fascynujące obiekty, które są zbyt masywne, by uznać je za zwykłe planety, ale jednocześnie zbyt małe, by stać się prawdziwymi gwiazdami. Zgodnie z klasyczną definicją, gwiazda musi posiadać masę co najmniej 80-krotnie większą od masy Jowisza. Tylko wtedy w jej wnętrzu panuje ciśnienie wystarczające do zainicjowania fuzji wodoru w hel, co stanowi źródło energii typowych gwiazd. Brązowe karły, o masach od 13 do 80 Jowiszy, potrafią jedynie spalać deuter (cięższy izotop wodoru), co czyni je „nieudanymi gwiazdami”.
Jeszcze niżej w hierarchii znajdują się tak zwane podbrązowe karły – gazowe olbrzymy, które swoimi rozmiarami przyćmiewają Jowisza, ale nie osiągają progu niezbędnego do fuzji deuteru. Do tej pory zakładano, że różnica między tymi obiektami wynika nie tylko z masy, ale przede wszystkim z mechanizmu ich powstawania. Nowe dane wskazują jednak, że natura rzadko wybiera tylko jedną drogę.
Dwa scenariusze narodzin: „Z góry na dół” kontra „Z dołu do góry”
Zrozumienie problemu wymaga przyjrzenia się dwóm fundamentalnym procesom kreacji w kosmosie. Gwiazdy powstają „z zewnątrz do wewnątrz” w procesie kolapsu grawitacyjnego. Zagęszczenie gazu w obłoku molekularnym zapada się pod własnym ciężarem, tworząc gęste jądro, w którym powstają warunki do fuzji jądrowej. To proces gwałtowny i obejmujący ogromne skale.
Z kolei planety gazowe, takie jak Jowisz, formują się „od wewnątrz na zewnątrz” w procesie zwanym akrecją jądra. W dysku pyłu i gazu wokół młodej gwiazdy drobne ziarna łączą się ze sobą, tworząc coraz większe grudki, aż powstanie skaliste jądro. Gdy jądro to stanie się wystarczająco masywne, zaczyna gwałtownie przyciągać okoliczny gaz, puchnąc do rozmiarów olbrzyma. Astronomowie długo wierzyli, że istnieje magiczna granica masy, powyżej której obiekty muszą być produktem kolapsu obłoku, a poniżej – akrecji w dysku.
Badanie, które podważyło dotychczasowy porządek
Gregory Gilbert i jego zespół przeanalizowali próbkę 70 obiektów, od planet o masie Jowisza po brązowe karły balansujące na granicy zostania gwiazdami. Naukowcy szukali korelacji między masą tych ciał a dwiema kluczowymi cechami: metalicznością gwiazdy macierzystej oraz ekscentrycznością orbity obiektu. Wyniki okazały się zaskakujące dla zwolenników czystych podziałów.
Metaliczność, czyli zawartość pierwiastków cięższych od helu (takich jak żelazo, tlen czy węgiel) w systemie gwiezdnym, powinna być kluczem do zagadki. Teoretycznie, aby planeta mogła powstać przez akrecję jądra, potrzebuje „budulca” w postaci metali. Spodziewano się więc, że mniejsze podbrązowe karły będą występować głównie w systemach bogatych w metale, podczas gdy większe brązowe karły będą rozłożone losowo. Tymczasem dane pokazały brak wyraźnego związku między masą obiektu a składem chemicznym jego słońca. Oznacza to, że niektóre gigantyczne obiekty mogły powstać jak planety, mimo że ich masa sugerowałaby pochodzenie gwiezdne – i odwrotnie.
Spektrum zamiast sztywnych granic
Analiza eliptyczności orbit, czyli tego, jak bardzo orbita obiektu odbiega od idealnego koła, również nie przyniosła przełomu, którego oczekiwano. Choć zauważono trend, w którym mniej masywne obiekty mają tendencję do posiadania bardziej kołowych orbit, przejście to było niezwykle płynne i stopniowe. Nie odnaleziono punktu, w którym jeden mechanizm formowania definitywnie ustępuje miejsca drugiemu.
Wnioski płynące z badań są jednoznaczne: nie możemy już jednoznacznie stwierdzić, patrząc na masę danego obiektu, czy jest on „nieudaną gwiazdą” czy „wybitnie udaną planetą”. Jak zauważa Gilbert, prawdopodobieństwo wystąpienia akrecji jądra spada wraz ze wzrostem masy, podczas gdy szansa na kolaps grawitacyjny rośnie, ale oba procesy nakładają się na siebie w szerokim zakresie mas. Wszechświat okazuje się być bardziej spektrum możliwości niż zbiorem odseparowanych od siebie kategorii. Dla współczesnej astronomii to sygnał, że być może szukamy nie tam, gdzie trzeba, lub że nasze modele formowania systemów planetarnych wymagają gruntownego przemyślenia, by uwzględnić ten kosmiczny chaos.
Źródło: The Astronomical Journal