Ko so astronomi pred dvema desetletjema odkrili prvi eksoplanet okrog navadne zvezde, so bili hkrati srečni in zmedeni: odprti planet 51 Pegasus b je bil en in pol krat bolj masiven kot Jupiter, hkrati pa se je nahajal izjemno blizu zvezde: v samo 4 dneh je naredil eno revolucijo, kar veliko hitreje kot Merkur, planet, ki je najbližje Soncu, v 88 dneh naredi revolucijo. Teoretiki, ki preučujejo planetarno tvorbo, niso videli priložnosti za oblikovanje in rast planetov v taki bližini novorojene zvezde. Morda je bila to izjema od pravila, toda kmalu so odkrili še nekaj vročih Jupitrov, ki so se jim pridružili še drugi čudni planeti: v podolgovatih in zelo nagnjenih orbitah in celo vrtečih se proti smeri vrtenja matične zvezde.
Lov na eksoplanete se je pospešil od lansiranja vesoljskega teleskopa Kepler leta 2009, 2.500 svetov, ki jih je odkril, pa je dodalo statistiko za proučevanje eksoplanetov - in to je prineslo še več zmede. Kepler je odkril, da je najpogostejši tip planeta v galaksiji nekje med Zemljo in Neptunom - superzemlje, ki nimajo analogij v našem osončju in so veljale za skoraj nemogoče. Sodobni zemeljski teleskopi zajemajo svetlobo neposredno z eksoplanetov, namesto da posredno zaznavajo njihovo prisotnost, kot to počne Kepler, in ti podatki so prav tako nenavadni. Odkrili so orjaške planete z večkratno maso Jupitra, oddaljenost od matičnih zvezd je dvakrat daljša od Neptuna do Sonca - torej so v drugi regiji,kjer so teoretiki menili, da je rojstvo velikih planetov nemogoče.
"Že od začetka je bilo očitno, da se opažanja niso najbolje ujemala s teorijo," pravi Bruce McIntosh, fizik na univerzi Stanford v Palo Altu v Kaliforniji. "Nikoli ni bilo trenutka, ko bi teorija potrdila to opazovanje."
Teoretiki poskušajo ustvariti scenarije za "gojenje" planetov na mestih, ki so se nekoč štela za prepovedana. Predvidevajo, da se planeti lahko oblikujejo v veliko bolj mobilnem in kaotičnem okolju, kot so si kdajkoli prej predstavljali, pri čemer se rojeni planeti gibljejo iz krožnih orbitov blizu zvezde do bolj podolgovatih in oddaljenih. Toda vedno bolj širi živalski vrt eksotičnih planetov, ki ga opažajo raziskovalci, pomeni, da je vsak nov model predhoden. "Vsak dan lahko odkrijete nekaj novega," pravi astrofizik Thomas Henning z Inštituta za astronomijo. Max Planck v Heidelbergu v Nemčiji. "To je kot odkrivanje novih polj med zlatom."
Tradicionalni model oblikovanja zvezd in njihovih planetov sega v 18. stoletje, ko so znanstveniki predlagali, da se lahko počasi vrti oblak prahu in plina pod lastno gravitacijo. Večina materiala tvori kroglico, ki se stisne, segreje in postane zvezda, ko postane njeno središče dovolj gosto in vroče, da sproži termonuklearne reakcije. Gravitacija in kotni zagon zbere preostali material okoli protostarja v ravno ploščo s plinom in prahom. Ko se premikate po tem disku, delci materiala trčijo in se »zlepijo« z elektromagnetnimi silami. V nekaj milijonih let delci prerastejo v zrna, kamenčke, balvane in sčasoma na kilometre dolge plasteje.
V tem trenutku gravitacija prevzame, pride do trkov planetesimala in prostor se popolnoma očisti prahu, zaradi česar nastane več polnopravnih planetov. Ko se to zgodi v notranjem delu diska, večino plina iz njega absorbira zvezda ali pa jo odpihne njen zvezdni veter. Pomanjkanje plina pomeni, da notranji planeti ostajajo večinoma kamniti, s tanko atmosfero.
Ta proces rasti, znan kot osnovno kopičenje, je hitrejši v zunanjih delih diska, kjer so temperature dovolj nizke, da voda zamrzne. Led v tem primeru dopolnjuje prah, kar omogoča protoplaneti, da se hitreje utrdijo. Rezultat je trdno jedro, pet do desetkrat težje od Zemlje - dovolj hitro, da zunanje območje protoplanetarnega diska ostane bogato s plinom. Pod vplivom gravitacije jedro "potegne" plin iz diska in tako ustvari plinskega velikana, kot je Jupiter. Mimogrede, eden od ciljev vesoljskega plovila Juno, ki je na Jupiter letel v začetku tega meseca, je ugotoviti, ali ima planet resnično množično jedro.
Promocijski video:
Ta scenarij ustvarja planetni sistem, podoben našemu: majhni kamniti planeti s tanko atmosfero so blizu zvezde; tik pred snežno črto (kjer je temperatura dovolj hladna, da se voda zmrzne) obstaja plinov velikan, kot je Jupiter, in drugi velikani se postopoma pojavljajo na večjih razdaljah in so manjši, ker se v svoji orbiti gibajo počasneje in potrebujejo več čas za zbiranje protoplanetarnega diskovnega gradiva. Vsi planeti ostanejo približno tam, kjer so se oblikovali, in se gibljejo po krožnih orbitah v isti ravnini. Lepo in lepo.
Toda odkritje vročih Jupitrov je nakazovalo, da je nekaj resno v neskladju s teorijo. Planet z orbito, ki traja le nekaj dni za orbito, je zelo blizu zvezde, kar omejuje količino materiala, ki ga lahko tvori. Zdelo se mi je nerazumljivo, da se na takšnem mestu lahko oblikuje plinski velikan. In neizogiben zaključek je, da bi se moral tak planet oblikovati bistveno dlje od svoje zvezde.
Teoretiki so iznašli dva možna mehanizma za premikanje planetarne palube. Prvi, znan kot migracija, zahteva veliko materiala, da ostane na disku, potem ko se je velikanski planet oblikoval. Gravitacija planeta izkrivlja disk, kar ustvarja območja z večjo gostoto, ki posledično gravitacijsko vplivajo na planet, zaradi česar se postopoma spušča navznoter proti zvezdi.
Za to idejo obstajajo utemeljeni dokazi. Sosednji planeti se pogosto znajdejo v stabilnem gravitacijskem "svežnju", znanem kot orbitalna resonanca - torej so dolžine njihovih orbitov povezane kot majhna cela števila. Na primer, ko se Pluton dvakrat obrne okoli Sonca, ima Neptun čas, da se obrne točno trikrat. Zelo verjetno je, da se je to zgodilo po naključju, zato se je najverjetneje zgodilo med migracijo, kar je planetom dalo dodatno gravitacijsko stabilnost. Migracije zgodaj v zgodovini našega osončja bi lahko razložile druge nenavadnosti, vključno z majhnostjo Marsa in asteroidnim pasom. Da bi jih razložili, so si teoretiki izmislili hipotezo o "velikem odklonu", v kateri se je Jupiter sprva oblikoval bližje Soncu, nato pa se je odplazil navznoter skoraj do Zemljine orbite in tako zbiral material ter s tem "prikrajšal" Mars.in po nastanku Saturna se je pod vplivom gravitacije in tlaka plina v notranjem predelu diska vrnil nazaj, po poti "zapeljal" ostanke prahu in platesimal v asteroidni pas.
Nekateri oblikovalci menijo, da so takšni scenariji nepotrebno zapleteni. "Resnično verjamem v Occamovo britvico (" Kaj je mogoče storiti z manj [domnevami], ne bi smeli storiti z več, "- približno Transl.)," Pravi Greg Laughlin, astronom na kalifornijski univerzi v Santa Cruzu). Laughlin trdi, da so se planeti najverjetneje oblikovali na istem mestu, kjer jih zdaj vidimo. Pravi, da bi se lahko veliki planeti oblikovali v bližini njihove zvezde, če protoplanetarni diski vsebujejo veliko več materiala, kot so mislili prej. Nekateri planetarni premiki se lahko še vedno pojavijo - dovolj za razlago na primer resonanc, toda "to je končni potek, ne glavni cevovod", pravi Laughlin.
Toda drugi teoretiki trdijo, da preprosto ne more biti dovolj materiala za oblikovanje planetov tako blizu zvezd, kot je 51 Pegasus b in drugi, ki so še bližje. "Ne bi se mogli izoblikovati namesto njih", pravi fizik Joshua Wynn z Massachusetts Institute of Technology. In pomemben delež eksoplanetov, ki so v podolgovati, nagnjeni ali celo obrnjeni orbiti, prav tako kaže na nekakšno premeščanje planetarnega sistema.
Da bi razložili te nenavade, teoretiki navajajo "orožje za dojenček" - gravitacijo, ne pa sedativno selitev. Materialno bogat protoplanetarni disk bi lahko ustvaril veliko planetov drug drugemu, kjer bi vpliv gravitacije lahko orbite nekaterih od njih naredil blizu zvezde, nagnil in celo vrgel planet iz sistema v celoti. Drugi potencialni uničevalec je spremljevalna zvezda v podolgovati orbiti. Večino časa je predaleč, da bi pomembno vplival na planetarni sistem, v bližini pa bi lahko znatno "premešal" orbite planetov. Če pa je matična zvezda član tesne zvezde, se sosednja zvezda lahko približa dovolj, da premešča svoje orbite ali celo "zgrabi" enega ali več planetov zase."Obstaja veliko načinov za razbiti planetarni sistem," pravi Wynn.
Nepričakovani zaključek so naredili raziskovalci, ki so preučevali planete, ki jih je našel Kepler - izkazalo se je, da se 60% superzemljev, ki krožijo po zvezdah, podobnih soncu, bistveno razlikuje od tistega, ki ga opazujemo v sončnem sistemu, in zahteva ponovno razmislek o obstoječih teorijah. Večina super zemelj, ki so večinoma trdne z majhnimi količinami plina, sledijo orbiti, ki so bližje zvezam kot Zemlja, pogosto pa imajo zvezde več kot enega takšnega planeta. Na primer, sistem Kepler-80 ima štiri super-zemljine, vse z orbite od 9 dni ali manj. Konvencionalna teorija drži, da je naselitev znotraj snežne črte prepočasen, da bi nastali karkoli tako velikega. Toda super-Zemlje redko najdemo v resonančnih orbitah, kar kaže na to, da se niso migrirali, ampak so nastali takoj, kjer jih najdemo.
Raziskovalci prihajajo do novih načinov za reševanje tega problema. Ena od idej je, da pospešimo izrastitev s postopkom, znanim kot prodnata prod. Plin bogati disk ima velik vpliv na predmete s kamenčki. To jih navadno upočasni, zaradi česar se prisilijo, da se približajo zvezdi. Toda bližje kot je zvezda, večja je gostota in posledično se stopnja oblikovanja planetesimal z naraščajočo razdaljo do zvezde povečuje. Toda pospešena akcesija in disk, bogat s plinom, povzročata težavo: v tem primeru bi morale super-Zemlje pridobiti gosto atmosfero, ko presežejo določeno velikost. "Kako jim preprečite, da bi postali plinski velikani?" vpraša astrofizik Roman Rafikov z Inštituta za napredni študij v Princetonu v New Jerseyju.
Eugene Chang, astronom na kalifornijski univerzi v Berkeleyju, pravi, da akumulacije ni treba pospešiti, dokler je disk nasičen in bogat s plinom. Notranji disk, ki je 10-krat gostejši od tistega, ki je tvoril osončje, bi z lahkoto ustvaril eno ali več super-zemelj, ki se bodo pojavile v zadnjih dneh protoplanetarnega diska, ko se bo večina plina že razblinila, je dejal.
Nekaj predhodnih opažanj velikega mm / submilimeter teleskopa ALMA na severu Čila podpira ta predlog. ALMA lahko vizualizira radio emisije prahu in gramoza na protoplanetarnih diskih, nekaj diskov, ki jih je doslej preučil, pa se zdi razmeroma veliko. Toda opažanja še niso resnična resnica, saj ALMA še ni popolnoma operativna in jo je mogoče uporabiti le za opazovanje zunanjih delov diskov in ne regij, kjer se nahajajo superzemlje. "Ogledali si bomo lahko notranje prostore, ko bo ALMA lahko uporabila vseh svojih 66 anten," pravi Chang.
Chang ima tudi razlago za drugo Keplerjevo odkritje: superpuffi, redka in enako problematična vrsta planetov, ki so lažji od super-Zemlje, vendar se zdijo ogromni zaradi bujne atmosfere, ki predstavlja 20% njihove mase. Taki planeti naj bi se tvorili v plinu bogatem disku. Toda v notranjem disku takšne količine vročega plina ne morejo zadrževati sile šibke gravitacije protoplaneta, zato je hladen in gost plin zunanjega diska bolj verjetno mesto izvora takšnih planetov. Chang svoje orbite blizu neposredne zvezde pripisuje selitvi, trditev, ki jo podpira dejstvo, da se superpuffi pogosto znajdejo ujeti v resonančnih orbitah.
Doslej je bila večina pozornosti raziskav na eksoplanetih usmerjena v notranje dele planetarnih sistemov, do približno oddaljenosti, enakovredne orbiti Jupitra, iz preprostega razloga, ker vse obstoječe metode zaznavanja eksoplanetov ne omogočajo, da bi jih našli na večjih razdaljah od zvezde. Dve glavni metodi - merjenje vibracij zvezd, ki jih povzroči gravitacijski vpliv planetov, in merjenje občasnega zatemnitve zvezdinega diska, ko planeti prehajajo skozi njega - omogočajo iskanje velikih planetov v tesnih orbitah. Zajem posnetkov planetov samih je izredno težaven, saj njihovo šibko svetlobo skoraj utopi svetloba njihovih zvezd, ki je lahko milijarda krat svetlejša.
A astronomi so z največjim izkoristkom največjih teleskopov na svetu lahko videli več planetov. Spektropolarimetrični sistem visokega kontrasta (SPHERE) in Twin Planet Imager (GPI), ki sta ga dodala velikim teleskopom v Čilu, sta opremljena s prefinjenimi maskami, imenovanimi koronagrafi, ki preprečujejo zvezdno svetlobo. Zato ne preseneča, da so planeti daleč od svojih zvezd najlažje tarče zanje.
Eden najzgodnejših in najbolj presenetljivih planetarnih sistemov, zaznan z neposrednim slikanjem, je sistem okoli HR 8799, kjer so štirje planeti nameščeni od zvezde na razdaljah od orbite Saturna do več kot dvakratne orbite Neptuna. Najbolj neverjetno je, da so vsi štirje planeti ogromni, več kot petkrat večja od mase Jupitra. Po teoriji se planeti v tako oddaljenih orbitah premikajo tako počasi, da bi morali rasti s hitrostjo polža in kopičiti mase, bistveno manj kot Jupiter, ko izgine plin in prah. In kljub temu njihove "dobre" krožne orbite kažejo, da so se takoj oblikovali na njih, in se niso preselili na njih z območij, ki so bližje zvezdi.
Takšni oddaljeni velikani dajejo podporo najbolj radikalni teoriji, v kateri se nekateri planeti oblikujejo ne s pomočjo akumulacije, temveč s tako imenovano gravitacijsko nestabilnostjo. Za ta postopek je potreben protoplanetarni disk, bogat s plinom, ki se pod lastno težo razbije v »grudo«. Te akumulacije plina se na koncu združijo in sesedejo v plinske planete, ne da bi nastale trdno jedro. Modeli predvidevajo, da bo mehanizem deloval le v določenih okoliščinah: plin mora biti hladen, ne sme se vrteti prehitro, stisnjen plin pa mora biti sposoben učinkovito odvajati toploto. Bi lahko ta teorija pojasnila planete okoli HR 8799? Rafikov pravi, da sta samo dva zunanja planeta dovolj daleč in hladna. "Še vedno je precej zoprn sistem," pravi.
V preteklosti so radioteleskopska opazovanja protoplanetarnih diskov podpirala teorijo gravitacijske nestabilnosti. Teleskopi so bili občutljivi na hladen plin in našli so diske, ki so bili "razpršeni" z akumulacijami plina. Toda najnovejše slike ALMA naslikajo drugačno sliko. ALMA je občutljiva na krajših valovnih dolžinah, v katerih se v srednji ravnini diska oddajajo zrna prahu, njegove slike zvezde HL Tauri leta 2014 in TW Hydrae pa so letos pokazale gladke simetrične diske s temnimi krožnimi "vrzeli", ki segajo daleč naprej orbita Neptuna (glej spodnjo sliko). "Bilo je neverjetno presenečenje. Disk ni bil kaotičen, imel je prijetno, redno, lepo strukturo, «pravi Rafikov. Te vrzeli, ki kažejo na planete, ki so jih naredili,jasno govorijo v prid modelu akcesije, kar je udarec za zagovornike modela gravitacijske nestabilnosti.
Prezgodaj je povedati, kakšna druga presenečenja bosta imela GPI in SPHERE. Toda regija med oddaljenimi regijami planetarnih sistemov in bližnjimi okoliščin zvezd z vročimi Jupiterji in superzemelji ostaja trdovratno zunaj dosega: preblizu zvezde za neposredno vizualizacijo in predaleč za posredne metode, ki temeljijo na nihanjih ali zatemnitvi matične zvezde. Teoretiki zato težko dobijo popolno sliko, kako izgledajo eksoplanetarni sistemi. "Temelji na razdrobljenih in nepopolnih opažanjih," pravi Laughlin. "Trenutno so vse domneve verjetno napačne."
Astronomom ne bo treba dolgo čakati na nove podatke. Nasa bo prihodnje leto lansirala slikovni satelit Exoplanet (TESS), takrat naj bi Evropska vesoljska agencija (ESA) zagnala tudi satelit za karakterizacijo eksoplanetov (CHEOPS). Za razliko od Keplerja, ki je raziskal najrazličnejše zvezde samo zato, da bi identificiral eksoplanete, se bodo TESS in CHEOPS osredotočili na zvezde blizu Sonca, kar bo raziskovalcem omogočalo preučevanje selitvene terra incognita (neznane dežele - približno Transl.). In ker so ciljne zvezde blizu osončja, bi morali zemeljski teleskopi lahko oceniti maso odkritih planetov, kar omogoča raziskovalcem, da izračunajo njihovo gostoto in vedo, ali so trdni ali plinasti.
Teleskop James Webb, ki ga bodo lansirali letos, bo lahko šel še dlje, če bomo analizirali svetlobo zvezde, ki prehaja skozi ozračje eksoplaneta, da določimo njegovo sestavo. "Sestava je pomemben ključ za oblikovanje," pravi Macintosh. Na primer, iskanje težkih elementov v nadzemnih atmosferah lahko kaže, da je za hitro nastajanje planetarnih jeder potreben disk, bogat s takimi elementi. V naslednjem desetletju se bodo vesoljska plovila, kot sta TESS in CHEOPS, pridružila lovu na eksoplanete, skupaj z novo generacijo ogromnih zemeljskih teleskopov z ogledali 30 metrov ali več.
Če so stare teorije do zadnjega pomagale manekenkam, da so se trdno postavile na noge, potem se pod pritiskom novih odkritij ta temelj začne rušiti in raziskovalci se bodo morali potiti, da ostanejo na nogah. "Narava je pametnejša od naših teorij," pravi Rafikov.
EGOR MOROZOV