Około 2615 lat świetlnych od Ziemi, znajduje się układ planetarny, który rzuca wyzwanie wszystkiemu, co astronomowie wiedzieli o formowaniu się światów. Mowa o układzie Kepler-51 w gwiazdozbiorze Łabędzia, gdzie odkryto grupę planet o gęstości tak niskiej, że naukowcy zaczęli nazywać je „super-puff” (super-puchatymi). Najnowsze badania przeprowadzone przy użyciu Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST) rzucają nowe światło na jedną z nich – Kepler-51d – choć, paradoksalnie, planeta ta skrywa swoje tajemnice pod najgrubszą warstwą mgły, jaką kiedykolwiek zaobserwowano poza Układem Słonecznym.
Planety typu „super-puff” to jedne z najbardziej osobliwych obiektów w galaktyce. Choć rozmiarami dorównują gazowym olbrzymom, takim jak Saturn, ich masa jest zaledwie kilkukrotnie większa od masy Ziemi. Powoduje to, że ich średnia gęstość jest niezwykle niska, porównywalna do gęstości waty cukrowej. W układzie Kepler-51 zidentyfikowano dotąd cztery planety, z czego aż trzy należą do tej rzadkiej kategorii. Kepler-51d jest z nich wszystkich najchłodniejsza i posiada najniższą gęstość, co czyni ją idealnym obiektem do testowania współczesnych modeli astrofizycznych.
Problem polega na tym, że istnienie takich planet jest trudne do pogodzenia z tradycyjną teorią formowania się gazowych olbrzymów. Zazwyczaj takie planety posiadają gęste, masywne jądra, których silna grawitacja pozwala na przyciągnięcie i zatrzymanie ogromnych ilości gazu. Co więcej, gazowe olbrzymy formują się zazwyczaj w chłodniejszych, odległych rejonach układów gwiezdnych. Tymczasem Kepler-51d znajduje się w odległości od swojej gwiazdy porównywalnej do dystansu dzielącego Wenus od Słońca, a mimo to nie posiada gęstego jądra. Jest to zagadka, która spędza sen z powiek badaczom ewolucji planetarnej.
James Webb i poszukiwanie atmosferycznego „odcisku palca”
Aby zrozumieć pochodzenie tego nietypowego świata, zespół naukowców pod kierownictwem Jessiki Libby-Roberts z Penn State (obecnie University of Tampa) wykorzystał potężne instrumenty Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba. Kluczową metodą badawczą była spektroskopia transmisyjna. Gdy planeta przechodzi na tle tarczy swojej gwiazdy (zjawisko tranzytu), światło gwiazdy przenika przez jej atmosferę. Różne pierwiastki i cząsteczki chemiczne absorbują światło o określonych długościach fal, tworząc unikalny „odcisk palca” składu chemicznego atmosfery.
Wcześniejsze obserwacje wykonane za pomocą Teleskopu Hubble’a w bliskiej podczerwieni (zakres 1,1–1,7 mikrona) nie przyniosły rozstrzygających odpowiedzi. Liczono, że JWST, dzięki instrumentowi NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph), który widzi fale o długości do 5 mikronów, pozwoli zajrzeć głębiej. Wyniki okazały się jednak zaskoczeniem: widmo planety było niemal całkowicie płaskie. Nie zaobserwowano wyraźnych spadków intensywności światła, które wskazywałyby na obecność konkretnych cząsteczek, takich jak woda, metan czy dwutlenek węgla.
Nieprzenikniona mgła większa od Ziemi
Brak charakterystycznych cech w widmie sugeruje, że Kepler-51d jest spowity niezwykle grubą warstwą mgły lub chmur, która blokuje światło i uniemożliwia badanie niższych warstw atmosfery. Naukowcy porównują to zjawisko do mgieł węglowodorowych na Tytanie, księżycu Saturna, ale w przypadku Kepler-51d skala jest znacznie większa. Szacuje się, że sama warstwa mgły może mieć promień zbliżony do promienia Ziemi. To czyni ją jedną z najpotężniejszych osłon atmosferycznych wykrytych dotychczas u egzoplanet.
Badacze rozważali inne wyjaśnienia płaskiego widma, takie jak obecność pierścieni planetarnych. Gdyby planeta posiadała nachylone pierścienie, mogłyby one blokować światło gwiazdy w sposób, który sztucznie powiększałby rozmiar planety i sugerował jej niższą gęstość. Jednak dane z Webba wykazały liniowy trend – więcej światła było blokowane przy dłuższych falach. Takie zachowanie jest charakterystyczne dla rozpraszania światła przez drobne cząsteczki mgły, a nie dla litych struktur pierścieni, co czyni teorię o „puchatej” atmosferze znacznie bardziej prawdopodobną.
Co to oznacza dla naszej wiedzy o wszechświecie?
Istnienie Kepler-51d sugeruje, że procesy formowania się planet są znacznie bardziej zróżnicowane, niż przypuszczaliśmy na podstawie obserwacji Układu Słonecznego. Gwiazda Kepler-51 jest stosunkowo aktywna, co oznacza, że silne wiatry gwiezdne powinny teoretycznie „rozwiewać” rzadką atmosferę planety. Fakt, że tak ogromna otoczka gazowa wciąż istnieje, rodzi pytania o wiek układu oraz o to, czy planeta ta nie powstała znacznie dalej od gwiazdy, by następnie migrować do wewnątrz.
Odkrycia te mają fundamentalne znaczenie dla astrobiologii i astronomii planetarnej. „Zanim znaleźliśmy planety poza naszym Układem Słonecznym, myśleliśmy, że dobrze rozumiemy proces ich powstawania” – zauważa Jessica Libby-Roberts. Jednak światy takie jak Kepler-51d udowadniają, że natura potrafi tworzyć konfiguracje, których nie przewidziały nasze najśmielsze modele. Zrozumienie, jak powstają te anomalie, przybliża nas do odpowiedzi na pytanie, jak typowy (lub unikalny) jest nasz własny system planetarny i jakie miejsce zajmujemy w ogromnej strukturze wszechświata.
Dalsze badania, w tym planowane obserwacje instrumentem MIRI (Mid-Infrared Instrument) na pokładzie Webba, mogą pozwolić na detekcję materiałów tworzących te gęste mgły. Równolegle inni badacze analizują dane dotyczące planety Kepler-51b, co pozwoli stwierdzić, czy „puchatość” i mglistość są cechą charakterystyczną całego układu, czy też Kepler-51d jest unikalnym przypadkiem w tej niezwykłej kosmicznej rodzinie.
Źródło: Astronomical Journal