8 Minutės
Aplink netolimą raudoną nykštuką aptiktas keistas planetų išdėstymas, priversęs mokslininkus persižvelgti: viena maža kieta planeta stovi arti savo žvaigždės, po jos rikiuojasi dvi dujinės milžinės, o toliau — netikėtai — dar viena kieta planeta, vietoje kurioje pagal tradicinius modelius turėtų dominuoti dujos. Paprasta. Keista. Kelianti susidomėjimą.
Keista LHS 1903 architektūra
Tarptautinė astronomų komanda, analizavusi duomenis iš kelių stebėjimų stočių ir Europos kosminio teleskopo Cheops, apie šį netipinį planetų išdėstymą pranešė naujame straipsnyje žurnale Science. Sistema sukasi aplink LHS 1903 — raudoną nykštuką, esantį Paukščių Tako storajame diske. Raudonieji nykštukai yra vėsesni ir blankesni už Saulę; jie taip pat yra patys dažniausi žvaigždžių tipai galaktikoje. Tačiau dažnis nereiškia prognozuojamumo.
Thomas Wilsonas, pagrindinis straipsnio autorius ir planetų astrofizikas iš Warwick universiteto, paprastai apibūdino planetų tvarką: kieta, dujinė, dujinė, kieta. „Tai iš vidurio į išorę susidėliojusi sistema,“ sakė jis kolegoms. „Kietos planetos paprastai nesusidaro taip toli nuo savo namų žvaigždės.“
Kodėl taip manoma? Prie žvaigždės, intensyvi šiluma ir radiacija pašalina lengvuosius elementus iš besiformuojančių kūnų, palikdamos tankius, uolėto pagrindo branduolius. Tolesnėse, vėsesnėse zonose branduoliai gali surinkti storas dujines užuolaidas ir išaugti į dujines milžines. Šis tvarkingas radialinis modelis — mažos uolinės planetos iš vidaus, didelės dujinės išorėje — formavo planetų formavimo teorijas nuo tada, kai astronomai sudarė mūsų Saulės sistemos žemėlapius.
Grafika, rodanti planetų formavimosi eiliškumą. (ESA)
Tačiau LHS 1903 sistema meta iššūkį šiai supaprastintai nuostatų rinkiniui ir verčia planetų formavimosi tyrėjus peržiūrėti prielaidas apie vietines sąlygas, disko evoliuciją ir laiko parametrus. Šioje sistemoje metriniai duomenys — spindulys, masė ir orbitiniai santykiai — rodo ne tik vieną anomaliją, bet ir logišką modelį, kurio priežastys gali paaiškinti platesnius procesus protoplanetiniuose diskuose ir egzoplanetų architektūrose.
Formavimosi laiko ir vietinių sąlygų peržiūra
Kai LHS 1903 tyrėjai peržvelgė įprastus paaiškinimus — planetų migraciją į vidų arba išorę, planetų sugavimo mechanizmus ar matavimo klaidas — jie nustatė, kad šios idėjos netinka be papildomų prielaidų. Vietoj to komanda pasirinko kontraintuityvų scenarijų: planetos galėjo nesusidaryti tuo pačiu metu. Kas jeigu formavimasis buvo etapinis ir nevienalytis laike?
Standartiniai modeliai vaizduoja planetų augimą maždaug tuo pačiu metu dideliame protoplanetiniame diske, kuriame dujos ir dulkių dalelės sudaro vienalytį foną. Smėlio ir dulkių grūdai susiduria, susiklosto ir sudaro branduolius, kurie arba sulaiko aplinkines dujas ir tampa dujinėmis planetomis, arba lieka nuogi ir uolėti. Tačiau realūs diskai gali būti toli gražu ne homogeniški: jie turi tankių zonų, plyšių, srautus ir vietinių sąlygų skirtumus, o žvaigždės spinduliavimas gali sukelti fotoevaporaciją ir nuplauti dujas tam tikrose orbitose.
LHS 1903 atveju vidinės planetos greičiausiai subyrėjo ir sukaupė atmosferas, kol diskas vis dar buvo turtingas dujomis; išorinė kieta planeta, priešingai, galėjo susiformuoti vėliau, kai vietinis dujų rezervuaras jau buvo išsemtas. Tokia fazinė — arba sekinimo principu paremta — planetų „pagaminimo tvarka“ paaiškintų, kodėl mažas spindulys ir ribota atmosferinė masė atsirado net toliau nuo žvaigždės, kur pagal tradicinius modelius turėtų būti gausios dujų apvalkalai.
Keletas procesų galėjo prisidėti prie dujų išsekimo vietiškai: stiprūs žvaigždės vėjai, diskų vidiniai srautai (viscous accretion), fotodizencija ir planetų formavimo metu vykusi tarpusavio sąveika. Be to, pebble accretion (smulkių dalelių kaupimosi) ir branduolių augimo greičiai gali skirtis pagal orbitą — greitesnis branduolio augimas leidžia anksčiau užfiksuoti dujas, o lėtesnis branduolių augimas toliau nuo žvaigždės gali reikšti, kad galoninės dujos nebebuvo pasiekiamos, kai branduolys pasiekė kritinę masę.
Meninė protoplanetinio disko vizija. (JPL-NASA)
Wilsonas pažymi: „Atrodo, kad radome pirmą įrodymą apie planetą, susiformavusią vadinamoje dujomis išsekusioje aplinkoje.“ Jei ši interpretacija bus patvirtinta papildomais matavimais ir palyginimais su kitomis sistemomis, tai reikš reikšmingą nuostatų korekciją planetų formavimo teorijoje: ne visi protoplanetiniai diskai yra vienodi ar ilgai išlieka tokios pačios būsenos; laikas gali būti toks pat svarbus kaip vieta protoplanetiniame diske.
Konceptualiai tai reiškia, kad planetų formavimasis turi būti modeliuojamas kaip erdvėlaikinis procesas: reikia įtraukti laiko priklausomą dujų šalinimą, vietinių sąlygų heterogeniškumą ir galimus ankstyvus branduolių susidarymo momentus. Simuliacijos, kurios įveda imituojamą fotoevaporaciją, dinaminę dujų dispersiją arba stipresnę žvaigždės–disko sąveiką, gali tobuliau atkurti tokio tipo viduje-išorėje (inside-out) modelius.
Pasekmės ir būsimi bandymai
Kokios yra praktinės pasekmės? Viena atskira sistema negali vėl perrašyti teorijos per naktį, bet LHS 1903 suteikia konkretų atvejį, prie kurio teoriniai modeliai gali būti lyginami. Modeliai turi leisti vietinei dujų išsekimui, kintamoms disko trukmėms ir sekančiai planetų agregacijai. Tai taip pat verčia peržiūrėti prognozes apie masių ir spindulių santykius, atmosferų tikimybę ir ilgaamžiškumą ypač aplink raudonuosius nykštukus, kurių aktyvumas ir ilgalaikės evoliucijos keliai skiriasi nuo Saulės.
Observaciniai testai yra aiškūs: reikia surasti analogiškas sistemas. Jei daugiau sistemų atskleis kietas planetas netikėtai didelėse separacijose, tai taps pasikartojančiu modeliu, kurį reikės paaiškinti. Konkretūs bandymai apima:
- Tikslius masės nustatymus per radialinių greičių (radial velocity) matavimus, kurie padės nustatyti, ar išorinės planetos yra tikrai maži, tankūs branduoliai, ar tik atrodo maži dėl riboto spindulio duomenų.
- Spektrinius atmosferų tyrimus su JWST ir būsimais didelio teleskopo instrumentais — tai gali nustatyti, ar išorinės kietos planetos turi plonas antrines atmosferas ar visiškai nuogas branduolius.
- Transitų fotometrijos pratęsimą ir transit timing variation (TTV) analizę, kuri gali atskleisti sunkesnių planetų patraukimus bei orbitalines sąveikas, paaiškinančias ankstesnę migraciją ar stabilumo istoriją.
Cheops vaidino svarbų vaidmenį nustatant išorinės planetos spindulį su itin dideliu tikslumu — riba tarp dujinės ir kietos planetos dažnai yra plona ir priklauso nuo spindulio bei masės santykio. Kombinuojant spindulį, masės apytikslį nustatymą ir orbitalinę dinamiką, duomenys sudaro retą ir aiškų vaizdą: išorinis mažo spindulio pasaulis ten, kur paprastai tikimasi dujinių apvalkalų.
Be įrankių, tokių kaip Cheops ir JWST, artimiausio dešimtmečio žemės observatorijos ir dalykiniai projektai (pvz., ELT, TMT) suteiks aukštesnės skiriamosios galios radialinius matavimus ir atmosferų spektroskopiją, kuri galutiniame rezultate patvirtins ar paneigs dujų stokos hipotezę. Taip pat naudinga sistemingai tirti žvaigždės savybes: LHS 1903 vieta Paukščių Tako storajame diske, jos metalikumas, amžius ir žvaigždės aktyvumas turi reikšmės disko masės ir evoliucijos trajektorijai.
Ekspertų įžvalgos
Dr. Maya Alvarez, astrofizikė, specializuojanti disko evoliucijoje, sako: „LHS 1903 primena, kad planetų formavimasis nėra vienas vienintelis scenarijus. Diskai vystosi nevienodai. Plyšiai, vėjai ir fotoevaporacija gali išvalyti dujas vietiškai; kai kuras kuras išseko, keičiasi chemija ir galutinis rezultatas planetų formavime. Ši sistema suteikia teorikams realų apribojimą, prie kurio galima derinti modelius, ne tik nuomonių įvairovės objektą.“
Praktiniu požiūriu ši tema svarbi ir gyvybingumo (habitability) tyrimams. Planetos cheminė sudėtis ir atmosfera labai priklauso nuo to, kaip ir kur ji susiformavo. Išorinė kieta planeta, susiformavusi dujomis skurdžioje zonoje, gali turėti kitokius volatilius komponentus (pvz., mažiau žemės tipo ledo ar mažiau vandenilio helio), todėl jos vandens atsargos ir klimato istorija gali skirtis nuo vidinių kietų planetų. Tai turi įtakos potencialiam vandens buvimui, organinių junginių kaupimuisi ir ilgalaikei planetos dangai paveikusiai gyvenimo vystymąsi.
Taip pat verta paminėti, kad raudonieji nykštukai dažnai pasižymi aukštesniu magnetiniu aktyvumu ir žybsniais, kurie gali greičiau nuplauti lengvas atmosferas arba keisti protoplanetinio disko fiziką ankstyvosiose stadijose. Todėl stebėjimai ir modeliai turėtų įtraukti žvaigždės fluktuacijas ir jų poveikį disko dujoms bei medžiagoms. LHS 1903 atvejis leidžia papildomai įvertinti, kiek žvaigždės aplinka formuoja galutinę planetų sudėtį.
Galiausiai, LHS 1903 yra priminimas, kad egzoplanetų katalogavimas ir statistinė analizė yra būtini. Kuo daugiau sistemų bus išmatuota su aukštu tikslumu — masės, spindulio ir atmosferos — tuo geriau mokslininkai galės atskirti atsitiktinumą nuo taisyklių, identifikuoti tendencijas ir patikimai prisitaikyti teorijas prie stebimų duomenų.
Santrauka: kosminė „gamybos linija“ gali būti netvarkingesnė ir epizodiškesnė, nei manėme. LHS 1903 yra nedidelė sistema su didelėmis pamokomis — jeigu skiriausime pakankamai pastangų, ji ilgai keis klausimus, o ne tik suteiks greitus atsakymus. Šis atradimas praplečia mūsų supratimą apie planetų formavimąsi, protoplanetinius diskus ir galimas gyvybės sąlygas egzoplanetose.
Šaltinis: sciencealert
Palikite komentarą