Când astronomii au descoperit primul exoplanet în jurul unei stele obișnuite în urmă cu două decenii, aceștia au fost simultan bucuroși și nedumeriți: planeta deschisă 51 Pegasus b a fost de una și jumătate de ori mai masivă decât Jupiter, dar, în același timp, a fost situată extrem de aproape de stea: face o revoluție în doar 4 zile, care mult mai repede decât Mercur, planeta cea mai apropiată de Soare, face o revoluție în 88 de zile. Teoreticienii care studiază formarea planetară nu vedeau oportunitatea formării și creșterii planetei într-o asemenea apropiere de o stea nou-născută. Poate că aceasta a fost o excepție de la regulă, dar în curând au fost descoperite mai multe Jupitere fierbinți, cărora li s-au alăturat și alte planete ciudate: în orbite alungite și foarte înclinate și chiar rotind împotriva direcției de rotație a stelei părinte.
Vânătoarea de exoplanete s-a accelerat de la lansarea telescopului spațial Kepler în 2009, iar cele 2.500 de lumi descoperite au adăugat statistici pentru studierea exoplanetelor - iar acest lucru a adus și mai multă confuzie. Kepler a descoperit că cel mai obișnuit tip de planetă din galaxie se află undeva între Pământ și Neptun - super-pământuri care nu au analogi în sistemul nostru solar și au fost considerate aproape imposibile. Telescoapele moderne la sol captează lumina direct de la exoplanete, în loc să le detecteze prezența în mod indirect, așa cum face Kepler, iar aceste date sunt, de asemenea, neobișnuite. Au fost descoperite planete uriașe cu o masă de câteva ori mai mare decât masa lui Jupiter, distanța de la care la stelele părinte este de două ori distanța de la Neptun la Soare - adică se află într-o altă regiune,unde teoreticienii considerau imposibilă nașterea planetelor mari.
„Era evident din start că observațiile nu erau foarte teoretice”, spune Bruce McIntosh, fizician la Universitatea Stanford din Palo Alto, California. „Nu a existat niciodată un moment în care teoria să confirme observația”.
Teoreticienii încearcă să creeze scenarii pentru „creșterea” planetelor în locuri care au fost considerate cândva interzise. Aceștia prevăd că planetele se pot forma în medii mult mai mobile și haotice decât și-au imaginat până acum, cu planetele naștere derivând de pe orbitele circulare aproape de stea către cele mai alungite și îndepărtate. Dar gradina zoologică în continuă expansiune a planetelor exotice pe care cercetătorii o respectă înseamnă că fiecare nou model este preliminar. „În fiecare zi poți descoperi ceva nou”, spune astrofizicianul Thomas Henning de la Institutul de Astronomie. Max Planck în Heidelberg, Germania. „Este ca și cum ai descoperi câmpuri noi în timpul goanei de aur”.
Modelul tradițional pentru formarea stelelor și a planetelor lor datează din secolul al XVIII-lea, când oamenii de știință au sugerat că un nor rotativ lent de praf și gaz s-ar putea prăbuși sub propria gravitație. Cea mai mare parte a materialului formează o bilă, care se micșorează, se încălzește și devine o stea atunci când centrul său devine destul de dens și fierbinte pentru a iniția reacții termonucleare. Gravitatea și impulsul unghiular colectează materialul rămas în jurul protostarului într-un disc plat de gaz și praf. Când se deplasează de-a lungul acestui disc, particulele de material se ciocnesc și se „lipesc” de forțele electromagnetice. De-a lungul câtorva milioane de ani, particulele se transformă în cereale, pietricele, bolovani și, în cele din urmă, planetesimale de un kilometru lung.
În acest moment, gravitația preia, apar coliziuni ale planeteimalelor și spațiul este complet curățat de praf, ca urmare a căruia se formează mai multe planete cu drepturi depline. Când se întâmplă acest lucru în partea interioară a discului, cea mai mare parte a gazului din acesta este fie absorbit de stea, fie aruncat de vântul său stelar. Lipsa de gaz înseamnă că planetele interioare rămân în mare parte stâncoase, cu atmosfere subțiri.
Acest proces de creștere, cunoscut sub denumirea de acreție de miez, este mai rapid în părțile exterioare ale discului, unde temperaturile sunt suficient de scăzute pentru a îngheța apa. În acest caz, gheața completează praful, ceea ce permite protoplanetelor să se consolideze mai rapid. Rezultatul este un nucleu solid de cinci până la zece ori mai greu decât Pământul - suficient de rapid pentru ca regiunea exterioară a discului protoplanetar să rămână bogat în gaze. Sub influența gravitației, miezul „trage” de la sine gazul de pe disc, creând un gigant de gaz precum Jupiter. De altfel, unul dintre obiectivele navei spațiale Juno, care a zburat la Jupiter la începutul acestei luni, este de a determina dacă planeta are cu adevărat un nucleu masiv.
Video promotional:
Acest scenariu creează un sistem planetar similar cu al nostru: mici planete stâncoase cu o atmosferă subțire sunt aproape de stea; există un gigant cu gaz ca Jupiter chiar în afara liniei de zăpadă (unde temperatura este suficient de rece pentru ca apa să înghețe), iar alți giganți apar treptat la distanțe mai mari și se dovedesc a fi mai mici, deoarece se mișcă mai lent în orbitele lor și au nevoie de mai mult timp pentru colectarea materialului discului protoplanetar. Toate planetele rămân aproximativ acolo unde s-au format și se mișcă pe orbitele circulare în același plan. Frumoasă și îngrijită.
Dar descoperirea lui Jupiters fierbinti a sugerat că ceva era în contradicție serios cu teoria. O planetă cu o orbită care durează doar câteva zile pentru a orbita este foarte aproape de o stea, ceea ce limitează cantitatea de material pe care o poate forma. Părea de neînțeles că se poate forma un gigant pe gaz într-un astfel de loc. Iar concluzia inevitabilă este că o astfel de planetă ar fi trebuit să se formeze mult mai departe de steaua sa.
Teoreticienii au venit cu două mecanisme posibile de agitare a punții planetare. Prima, cunoscută sub numele de migrație, necesită o mulțime de materiale pentru a rămâne pe disc după ce s-a format planeta uriașă. Gravitatea planetei denaturează discul, creând zone cu densitate mai mare, care la rândul lor exercită un efect gravitațional asupra planetei, determinând-o să se abată treptat în interiorul discului spre stea.
Există dovezi pentru această idee. Planetele învecinate se găsesc adesea într-un „pachet” gravitațional stabil cunoscut sub denumirea de rezonanță orbitală - adică lungimile orbitelor lor sunt legate ca niște numere întregi mici. De exemplu, atunci când Pluton se învârte în jurul Soarelui de două ori, Neptun are timp să se învârtă exact de trei ori. Este foarte puțin probabil să se întâmple acest lucru din întâmplare, așa că cel mai probabil s-a întâmplat în timpul migrației, oferind astfel planetelor o stabilitate gravitațională suplimentară. Migrația de la începutul istoriei sistemului nostru solar ar putea explica și alte ciudăți, inclusiv dimensiunea mică a lui Marte și centura asteroidului. Pentru a le explica, teoreticienii au venit cu ipoteza „deflexiunii mari”, în care Jupiter s-a format inițial mai aproape de Soare, după care a plecat spre interior aproape de orbita Pământului, colectând material și, astfel, „lipsind” Marte de acesta.iar după formarea lui Saturn, sub influența gravitației și a presiunii gazului în regiunea interioară a discului, s-a întors înapoi, pe parcursul „conducând” rămășițele de praf și planetesimale în centura asteroidului.
Unii modelatori găsesc astfel de scenarii complexe inutil. „Cred cu adevărat în Razor de la Occam („ Ceea ce se poate face cu mai puține [presupuneri] nu trebuie făcut cu mai mult”- aprox. Transl.)”, Spune Greg Laughlin, astronom la Universitatea din California, Santa Cruz). Laughlin susține că planetele s-au format cel mai probabil în același loc în care le vedem acum. El spune că planetele mari s-ar putea forma aproape de steaua lor dacă discurile protoplanetare conțin mult mai mult material decât se credea anterior. Poate apărea în continuare o mișcare planetară - suficient pentru a explica, de exemplu, rezonanțe, dar „acesta este modificarea finală, nu conducta principală”, spune Laughlin.
Dar alți teoreticieni spun că pur și simplu nu poate exista suficient material pentru a forma planete atât de aproape de stele, cum ar fi 51 Pegasus b și altele chiar mai apropiate. „Nu s-ar fi putut forma la locul lor”, spune fizicianul Joshua Wynn de la Massachusetts Institute of Technology. Și o proporție semnificativă de exoplanete care se află în orbite alungite, înclinate sau chiar inversate par să implice, de asemenea, un fel de amestecare a sistemului planetar.
Pentru a explica aceste ciudăți, teoreticienii cită o „armă corp la corp” - gravitația, nu migrația sedativă. Discul protoplanetar bogat în materiale ar putea crea multe planete aproape unul de celălalt, unde influența gravitației ar putea face orbitele unora dintre ele aproape de stea, înclinate și chiar aruncate planeta din sistem cu totul. Un alt potențial distrugător este o stea însoțitoare într-o orbită alungită. De cele mai multe ori, este prea departe pentru a avea un impact semnificativ asupra sistemului planetar, dar în apropierea acestuia ar putea „agita” semnificativ orbitele planetelor. Sau, dacă steaua părinte este un membru al unui grup de stele strâns, steaua vecină poate să se apropie suficient de mult pentru a-și agita orbitele sau chiar „apuca” una sau mai multe planete pentru sine.„Există multe moduri de a distruge un sistem planetar”, spune Wynn.
O concluzie neașteptată a fost făcută de cercetătorii care au studiat planetele găsite de Kepler - s-a dovedit că 60% din super-pământurile care orbitează stele asemănătoare soarelui sunt semnificativ diferite de ceea ce observăm în sistemul solar și necesită regândirea teoriilor existente. Majoritatea supra-pământurilor, care sunt în mare parte solide cu volume mici de gaz, urmează orbitele mai aproape de stele decât Pământul și de multe ori stelele au mai multe planete. De exemplu, sistemul Kepler-80 are patru super-pământuri, toate cu orbite de 9 zile sau mai puțin. Teoria convențională susține că acreția în interiorul unei linii de zăpadă este prea lentă pentru a produce ceva atât de mare. Dar supra-Pământurile sunt rareori întâlnite în orbitele rezonante, ceea ce sugerează că nu au migrat, ci s-au format imediat acolo unde le găsim.
Cercetătorii propun noi modalități de soluționare a acestei probleme. O idee este de a accelera excreția folosind un proces cunoscut sub numele de acretion de pietricele. Discul bogat în gaze are un efect mare asupra obiectelor cu dimensiuni de pietricele. Acest lucru îi încetinește de obicei, forțându-i să se abată mai aproape de stea. Dar cu cât sunt mai aproape de stea, cu atât densitatea este mai mare și, ca urmare, rata de formare a planetesimelor crește odată cu scăderea distanței de stea. Dar o accelerare accelerată și un disc bogat în gaze ridică o problemă proprie: în acest caz, supra-Pământurile ar trebui să dobândească o atmosferă groasă atunci când depășesc o anumită dimensiune. „Cum îi opriți să devină giganti pe gaz?” întreabă astrofizicianul Roman Rafikov de la Institutul de Studii Avansate din Princeton, New Jersey.
Eugene Chang, astronom la Universitatea din California, Berkeley, spune că nu este nevoie să accelerăm accretionarea atât timp cât discul este saturat și bogat în gaze. Discul interior de 10 ori mai dens decât cel care a format sistemul solar ar putea crea cu ușurință unul sau mai multe super-pământuri, care vor apărea în ultimele zile ale discului protoplanetar, când cea mai mare parte a gazului s-a disipat deja, a spus el.
Câteva observații preliminare ale telescopului ALMA de mm / submilimetru mare din nordul Chile susțin această propunere. ALMA poate vizualiza emisiile radio provenite din praf și pietriș în discurile protoplanetare, iar puținele discuri studiate până acum par a fi relativ masive. Dar observațiile nu sunt încă adevărul suprem, deoarece ALMA nu este încă pe deplin operațional, și poate fi folosit doar pentru a observa părțile exterioare ale discurilor și nu regiunile în care sunt situate super-pământurile. „Vom putea vedea zonele interioare atunci când ALMA va putea folosi toate cele 66 antene ale sale”, spune Chang.
De asemenea, Chang are o explicație pentru cealaltă descoperire a lui Kepler: superpufele, un tip rar și la fel de problematic de planete, care sunt mai ușoare decât super-Pământurile, dar par imense datorită atmosferei lor luxuriante care constituie 20% din masa lor. Se consideră că astfel de planete se formează într-un disc bogat în gaze. Dar în discul interior, un astfel de volum de gaz fierbinte nu poate fi menținut de forțele de gravitate slabă ale protoplanetei, astfel încât gazul rece și dens al discului exterior este un loc mai probabil pentru originea acestor planete. Chang atribuie orbitelor lor aproape de stele migrației, afirmație susținută de faptul că superpufurile sunt adesea găsite prinse în orbitele rezonante.
Până acum, cea mai mare parte a atenției în cercetarea exoplanetelor s-a concentrat pe părțile interioare ale sistemelor planetare, până la aproximativ o distanță echivalentă cu orbita lui Jupiter, din simplul motiv că toate metodele existente pentru detectarea exoplanetelor nu le permit să fie găsite la distanțe mai îndepărtate de stea. Două metode principale - măsurarea vibrațiilor stelelor cauzate de influența gravitațională a planetelor și măsurarea întunecării periodice a discului unei stele pe măsură ce planetele trec prin ea - permit găsirea planetelor mari pe orbitele apropiate. Captarea imaginilor planetelor în sine este extrem de dificilă, deoarece lumina lor slabă este aproape înecată de lumina din stelele lor, care poate fi de un miliard de ori mai strălucitoare.
Însă, folosind cele mai mari telescoape din lume, astronomii au putut vedea mai multe planete. Sistemul Spectropolarimetric cu Contrast Înalt (SPHERE) și Twin Planet Imager (GPI), adăugate la telescoapele mari din Chile, sunt echipate cu măști complexe numite coronagrafe pentru a bloca lumina stelelor. Prin urmare, nu este surprinzător faptul că planetele departe de stelele lor sunt cele mai ușoare ținte pentru ei.
Unul dintre cele mai vechi și mai frapante sisteme planetare descoperite prin imagistica directă este cel din jurul HR 8799, unde patru planete sunt situate de la stea la distanțe de pe orbita lui Saturn până la mai mult de două ori pe orbita lui Neptun. Cel mai uimitor lucru este că toate cele patru planete sunt uriașe, de peste cinci ori mai mult decât masa lui Jupiter. Conform teoriei, planetele din astfel de orbite îndepărtate se mișcă atât de încet încât ar trebui să crească cu viteza unui melc și să acumuleze mase, semnificativ mai mici decât cele ale lui Jupiter în momentul în care discul de gaz și praf dispare. Și totuși, orbitele lor circulare „bune” sugerează că s-au format imediat asupra lor și nu au migrat către ele din regiuni mai apropiate de stea.
Astfel de giganți îndepărtați sprijină cea mai radicală teorie, în care unele planete se formează nu prin acreție, ci prin așa-numita instabilitate gravitațională. Acest proces necesită un disc protoplanetar bogat în gaze care se spulbește în „aglomerări” sub propria sa gravitație. Aceste acumulări de gaz se combină în cele din urmă și se prăbușesc în planetele de gaz fără a forma un miez solid. Modelele presupun că mecanismul va funcționa numai în anumite circumstanțe: gazul trebuie să fie rece, nu trebuie să se rotească prea repede, iar gazul comprimat trebuie să poată elimina eficient căldura. Ar putea această teorie să explice planetele din jurul HR 8799? Rafikov spune că doar cele două planete exterioare sunt destul de departe și reci. "Este încă un sistem destul de criptic", spune el.
În trecut, observațiile prin telescop ale discurilor protoplanetare au oferit un anumit sprijin pentru teoria instabilității gravitaționale. Sensibile la gazul rece, telescoapele au găsit discuri „stropite” cu acumulări de gaz. Dar cele mai noi imagini de la ALMA vopsesc o imagine diferită. ALMA este sensibilă la lungimi de undă mai scurte, în care emite boabe de praf în planul mediu al discului, iar imaginile sale cu stelele HL Tauri în 2014 și TW Hydrae în acest an au prezentat discuri simetrice netede, cu „goluri” circulare întunecate, care se extind mult dincolo orbita Neptunului (vezi figura de mai jos). „A fost o surpriză uimitoare. Discul nu era haotic, avea o structură plăcută, regulată, frumoasă”, spune Rafikov. Aceste lacune, sugestive pentru planetele care le-au făcut,vorbesc clar în favoarea modelului de acreție, care este o lovitură pentru susținătorii modelului de instabilitate gravitațională.
Este prea devreme pentru a spune ce alte surprize vor avea GPI și SPHERE. Însă regiunea dintre regiunile îndepărtate ale sistemelor planetare și împrejurimile apropiate ale stelelor cu Jupiteri fierbinți și super-Pământ rămâne încăpățânat la îndemână: prea aproape de stea pentru vizualizare directă și prea departe pentru metode indirecte bazate pe oscilații sau întunecarea stelei părinte. Drept urmare, teoreticienilor le este greu să obțină o imagine completă a cum arată sistemele exoplanetare. „Ne bazăm pe observații fragmentare și incomplete”, spune Laughlin. "Momentan, toate presupunerile sunt greșite."
Astronomii nu vor trebui să aștepte mult timp pentru date noi. NASA va lansa anul viitor satelitul de imagini exoplanetare (TESS), moment în care Agenția Spațială Europeană (ESA) este de asemenea de așteptat să lanseze un satelit de caracterizare a exoplanetelor (CHEOPS). Spre deosebire de Kepler, care a explorat o mare varietate de stele pentru a identifica exoplanetele, TESS și CHEOPS se vor concentra pe stele apropiate de Soare, permițând cercetătorilor să studieze incognita migratorie. Și având în vedere că stelele țintă sunt în apropierea sistemului solar, telescoapele la sol ar trebui să poată estima masa planetelor descoperite, permițând cercetătorilor să își calculeze densitățile și să știe dacă sunt solide sau gazoase.
Telescopul James Webb, care va lansa anul acesta, va putea merge chiar mai departe analizând lumina de la o stea care trece prin atmosfera exoplanetului pentru a-i determina compoziția. „Compoziția este o cheie importantă pentru modelarea”, spune Macintosh. De exemplu, o căutare de elemente grele în atmosfere super-pământene poate indica faptul că un disc bogat în astfel de elemente este necesar pentru formarea rapidă a nucleelor planetare. Și în următorul deceniu, nave spațiale precum TESS și CHEOPS se vor alătura vânătorii de exoplanete, împreună cu o nouă generație de telescoape uriașe bazate pe sol cu oglinzi de 30 de metri sau mai mult.
Dacă vechile teorii au ajutat-o pe modeliști să rămână pe picioare, atunci sub presiunea noilor descoperiri, această fundație începe să se prăbușească, iar cercetătorii vor trebui să transpire pentru a rămâne în picioare. „Natura este mai inteligentă decât teoriile noastre”, spune Rafikov.
EGOR MOROZOV
