Kosmiczni włóczędzy znikają z mapy. Tak wygląda Pustynia Einsteina
Mikrosoczewkowanie grawitacyjne ujawnia setki wolnych planet, ale w szerokim zakresie mas widać dziurę. Fizycy szukają winnego.
W Drodze Mlecznej mogą błąkać się biliony planet, które nie krążą wokół żadnej gwiazdy. To kosmiczni włóczędzy – planety wyrzucone ze swoich układów i skazane na samotną podróż przez ciemność. Gdy astronomowie zaczęli wreszcie je dostrzegać, trafili na coś bardzo zaskakującego. W pewnym zakresie mas panuje niemal kompletna pustka. Naukowcy ochrzcili ją Pustynią Einsteina i próbują zrozumieć, dlaczego w galaktycznej populacji brakuje właśnie takich włóczęgów.
Kosmiczni włóczędzy, czyli planety bez domu
Jeszcze trzy dekady temu planety poza Układem Słonecznym były prawdziwą sensacją. Dziś katalog znanych egzoplanet przekroczył już kilka tysięcy, a teleskopy kosmiczne wyłapują kolejne kandydatki niemal taśmowo. Równolegle do zwykłych planet, krążących wokół gwiazd, do gry weszła nowa, bardziej mroczna kategoria: wolne planety, nazywane kosmicznymi włóczęgami.
Z punktu widzenia fizyki są to obiekty planetarnej masy, które nie są związane grawitacyjnie z żadną gwiazdą. Mogły powstać normalnie w dysku protoplanetarnym, a potem zostać wyrzucone z systemu w wyniku gwałtownych perturbacji, np. zderzeń, bliskich przelotów masywnych sąsiadów czy przepychanek między młodymi olbrzymami gazowymi.
Paradoks polega jednak na tym, że choć takie planety powinny być w kosmosie bardzo liczne (symulacje sugerują, że mogą przewyższać liczbę gwiazd) są piekielnie trudne do dostrzeżenia. Nie świecą własnym światłem, nie podświetla ich bliska gwiazda. Dla teleskopu to ciemne, zimne punkty przemykające na tle galaktyki.
Jak Einstein pomaga liczyć bezdomne planety?
Tu wkracza ogólna teoria względności. Einstein przewidział, że masa zakrzywia czasoprzestrzeń i może działać jak soczewka, zaginając bieg promieni światła. Kiedy masywny obiekt przechodzi dokładnie na linii widzenia pomiędzy nami a odległą gwiazdą w tle, jego grawitacja na krótko wzmacnia jej blask.
To zjawisko nazywa się mikrosoczewkowaniem grawitacyjnym. Zwykle dotyczy gwiazd, czarnych dziur czy brązowych karłów, ale w skali mikro potrafi zdradzić także obecność samotnej planety. Obiekt, którego normalnie byśmy nie zobaczyli, działa jak niewidzialna lupka – na kilka dni lub godzin rozjaśnia światło dalekiej gwiazdy, po czym efekt znika.
Jak czytamy na łamach IFLScience, to właśnie tak wykryto pierwsze kosmiczne włóczęgi na początku lat 2000. Od tego czasu kolejne przeglądy nieba odnotowują coraz więcej błysków tłumaczonych obecnością wolnych planet o bardzo małych masach. Kiedy jednak astronomowie spróbowali ułożyć te detekcje w całość i policzyć, ile takich obiektów przypada na różne zakresy mas, pojawiła się zagadka.
Pustynia Einsteina to dziura w rozkładzie mas
Analizy tzw. zdarzeń FSPL – specjalnej klasy mikrosoczewkowań, w których da się całkiem precyzyjnie oszacować skalę zjawiska – ujawniły coś, czego nikt się nie spodziewał. Wśród obiektów interpretowanych jako wolne planety widać dwie wyraźne grupy, rozdzielone szeroką luką.
Na jednym krańcu znajdują się bardzo lekkie planety – poniżej masy Jowisza, często w zakresie sub-Neptunów i superziemi. Na drugim brązowe karły i małomasywne gwiazdy, czyli obiekty, które powstają bardziej jak gwiazdy niż jak planety i którym brakuje tylko odrobiny paliwa, by zapalić reakcje jądrowe w jądrze.
Pomiędzy nimi rozciąga się obszar, w którym mikrosoczewkowań jest podejrzanie mało. W parametrach opisujących zjawisko (m.in. w tzw. promieniu Einsteina) widać wyraźną dziurę. Astronomowie nadali jej nową, chwytliwą nazwę: Pustynia Einsteina. To zakres odpowiadający mniej więcej planetom o masach zbliżonych do Saturna i Jowisza, ale pozbawionym gwiazdy macierzystej.
Intuicyjnie można by oczekiwać, że jeśli układy planetarne co jakiś czas wykopują swoje olbrzymy w kosmiczną nicość, to właśnie takie masywne włóczęgi powinny być stosunkowo łatwe do złapania mikrosoczewkowaniem. Tymczasem detekcji jest zaskakująco mało.
Za lekkie, by zostać, za ciężkie, by wylecieć?
Najnowsze analizy pojedynczych przypadków, m.in. wolnych planet o masie zbliżonej do Saturna, sugerują, że Pustynia Einsteina nie jest złudzeniem statystycznym, lecz dosyć popularną cechą galaktycznej populacji. Coraz więcej wskazuje na to, że przyczyna leży w samej dynamice młodych układów planetarnych.
Lżejsze planety, powstające w zewnętrznych rejonach dysku protoplanetarnego, są łatwiej wyrzucane podczas grawitacyjnych przepychanek. Wystarczy niekorzystny rezonans orbitalny czy bliski przelot masywniejszego sąsiada i ciało o masie sub-Neptuna traci związek z gwiazdą, wylatując w ciemność.
Olbrzymy gazowe kalibru Jowisza są trudniejsze do wystrzelenia. Ich masa sprawia, że mocno kotwiczą się grawitacyjnie w układzie. W efekcie częściej kończą jako migrujące gorące Jowisze blisko gwiazdy niż jako samotne włóczęgi. Jeśli już dochodzi do wyrzutu tak dużego giganta, zdarza się to rzadko, a powstały obiekt trudniej wyłapać w statystycznym szumie mikrosoczewkowań.
W ten sposób rodzi się naturalna luka: dolny ogon lekkich, łatwo wyrzucanych planet jest liczny, a górny – cięższych olbrzymów – zdecydowanie skromniejszy. Między nimi powstaje obszar, w którym detekcje są rzadkie. To właśnie Pustynia Einsteina.
Brązowe karły vs planety. Są dwie szkoły powstawania światów
Pustynia Einsteina ma jeszcze jeden ważny aspekt. Oddziela dwa różne światy formowania się obiektów we Wszechświecie. Wolne planety o bardzo małej masie zachowują się – i najprawdopodobniej powstają – tak jak planety w klasycznym sensie: rosną w dysku protoplanetarnym z pyłu i lodu wokół młodej gwiazdy, a dopiero później zostają z tego układu wyrzucone.
Brązowe karły po drugiej stronie pustyni formują się raczej jak słabe, nieudane gwiazdy. Tam, gdzie chmura gazu i pyłu zapada się pod własną grawitacją, ale masa nie wystarcza, by w jądrze zapłonął stabilny wodór. W rezultacie powstaje coś pomiędzy – za ciężkie na planetę, za lekkie na gwiazdę.
Pustynia Einsteina podkreśla więc podział nie tylko w masach, ale i w mechanizmach powstawania. Po jednej stronie mamy dynamiczną młóckę w ciasnym układzie planetarnym, po drugiej procesy znane z narodzin gwiazd. A pośrodku obszar, w którym natura jakby niechętnie produkuje wolne światy, albo robi to w sposób, którego jeszcze nie umiemy dobrze obserwować.
Rubin, Roman i przyszłość polowań na włóczęgi
Dzisiejsze katalogi wolnych planet pochodzą w dużej mierze z wąskich, wyspecjalizowanych kampanii mikrosoczewkowania. Naukowcy sami przyznają, że na razie pracują na próbce pilotażowej, liczącej zaledwie kilka dobrze scharakteryzowanych wydarzeń tego typu.
W najbliższych latach sytuacja ta ma się zmienić. Nowe wielkie przeglądy nieba, takie jak Vera C. Rubin Observatory w Chile czy kosmiczny teleskop Nancy Grace Roman, będą nie tylko fotografować niebo znacznie częściej, ale też z dużo większą czułością. To oznacza znacznie więcej mikrosoczewkowań, w tym tych najkrótszych, charakterystycznych dla lekkich planet i potencjalnie także masywnych włóczęgów w pustynnym zakresie.
Przeczytaj także:
Jeśli Pustynia Einsteina okaże się trwałym, wyraźnym zjawiskiem nawet w ogromnych katalogach, fizycy zyskają mocny argument, że rozkład mas kosmicznych włóczęgów rzeczywiście jest kształtowany przez brutalne, dynamiczne procesy w młodych układach planetarnych. Jeżeli natomiast luka zacznie się wypełniać, będzie to znak, że dotąd po prostu brakowało nam odpowiednich narzędzi i statystyki.
*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI
Jest tego więcej
Ustaw Spider’s Web jako preferowane medium w Google
