Grawitacyjna rzeźnia. Wielkie planety wyrzucają sąsiadów
Myśleliście, że układy planetarne to oazy spokoju? Nic z tych rzeczy. Najnowsze badania pokazują, że potężne planety krążące blisko gwiazd wyrzucają słabszych sąsiadów w mrok wiecznej nocy grawitacyjnymi kopnięciami.
Planety swobodne nie krążą wokół żadnej gwiazdy. Dryfują przez Galaktykę jak ciemne światy bez własnego słońca, niewidoczne dla klasycznych metod łowienia egzoplanet. Nie przechodzą regularnie przed tarczą gwiazdy, nie powodują łatwych do zmierzenia zmian jej ruchu, nie świecą jak gwiazdy. Najczęściej zdradza je dopiero mikrosoczewkowanie grawitacyjne, czyli krótkie przejaśnienie odległej gwiazdy tła, gdy samotna planeta przechodzi na linii widzenia i swoją grawitacją zakrzywia światło.
Najnowsze modele i obserwacje sugerują, że takich obiektów może być bardzo dużo. Być może nawet więcej niż planet krążących daleko od swoich gwiazd, poza tzw. linią śniegu. Jest to granica w dysku protoplanetarnym, za którą jest już wystarczająco zimno, by woda, amoniak czy metan mogły zamarzać i tworzyć lód. To ważne miejsce w teorii powstawania planet, bo za tą granicą łatwiej rosną masywne jądra przyszłych gazowych olbrzymów.
Skąd bierze się armia samotnych planet? Część mogła powstać jak bardzo małe gwiazdy, z zapadających się obłoków gazu, które nigdy nie osiągnęły masy potrzebnej do zapłonu reakcji jądrowych. Ale druga możliwość jest bardziej brutalna. Być może planety rodzą się normalnie w układach planetarnych, po czym zostają z nich wyrzucone. Nowa praca Xiaochen Zhenga i współautorów rozwija właśnie ten scenariusz.
Najpierw ktoś rozciąga orbitę jak gumę
Sam mechanizm nie zaczyna się od bezpośredniej bójki dwóch planet. Najpierw potrzebny jest ktoś, kto wyprowadzi odległą planetę z równowagi. Może to być druga gwiazda w układzie podwójnym albo masywna planeta krążąca daleko od gwiazdy. Taki obiekt przez długi czas działa grawitacyjnie na planetę znajdującą się poza linią śniegu i stopniowo zmienia jej orbitę.
Tu wchodzi mechanizm von Zeipela-Lidova-Kozaia. Odległy grawitacyjny zaburzacz może przez miliony lat pompować mimośród orbity planety. Orbita przestaje być prawie kołowa. Robi się coraz bardziej wydłużona, aż zaczyna przypominać wąską elipsę. Planeta przez większość czasu krąży daleko, ale w najbliższym punkcie orbity nagle wpada głęboko do wewnętrznej części układu.
Właśnie ten moment jest tak naprawdę niebezpieczny. Wewnętrzny układ planetarny nie jest pusty. W wielu układach siedzą tam superziemie, czyli planety większe od Ziemi, ale mniejsze od lodowych olbrzymów, oraz gorące jowisze, czyli gazowe olbrzymy krążące bardzo blisko gwiazdy. Gdy zewnętrzny intruz wpada na taką trasę, zaczyna się grawitacyjna ruletka.
Gorący jowisz jako ochroniarz na bramce
Autorzy nowego modelu opisują bliskie planety trochę jak bramkarzy pilnujących wejścia do wewnętrznego układu. To trafne porównanie, ale warto je doprecyzować. Planety nie muszą się zderzyć. Wystarczy bliskie przejście, podczas którego wymieniają energię orbitalną. Dla odległej planety, która i tak jest już na bardzo wydłużonej orbicie, taki dodatkowy impuls może być decydujący.
Jeśli dostanie odpowiednio mocne kopnięcie grawitacyjne, przekracza prędkość ucieczki z układu. Przestaje być planetą swojej gwiazdy. Nie trafia na inną orbitę. Po prostu zostaje wyrzucona w przestrzeń międzygwiezdną i staje się planetą swobodną.
Gorące jowisze są w tej roli szczególnie brutalne, bo są masywne. Według symulacji z pracy Zhenga i współautorów potrafią wyrzucać intruzów o masie Jowisza w ok. 80 proc. takich spotkań. To bardzo wysoka skuteczność. Gazowy olbrzym blisko gwiazdy działa więc jak ciężki zawodnik ustawiony w najgorszym możliwym miejscu dla planety, która na wydłużonej orbicie spada ku centrum układu.
Superziemie są słabszymi bramkarzami dla gazowych olbrzymów. W symulacjach wyrzucają jowiszowych intruzów tylko w ok. 6,5 proc. przypadków. Ale gdy intruzem jest zimna superziemia, sytuacja się zmienia. Wtedy bliska superziemia może wyrzucić podobny obiekt w ok. 52 proc. przypadków. Masa nadal rządzi, ale nie sama masa. Liczy się też to, kto z kim się spotyka i na jakiej orbicie.
Wyrzucona planeta to nie jedyna ofiara
Taki układ nie działa jak czysta katapulta, w której jedna planeta wylatuje, a druga spokojnie wraca na swoje miejsce. Grawitacyjne spotkanie zostawia ślady. Bliska planeta może stracić moment pędu, spaść na ciaśniejszą orbitę, dostać silny mimośród albo zostać przechylona względem płaszczyzny układu. W skrajnych przypadkach może skończyć w gwieździe.
To ważny element całego modelu, bo daje potencjalne ślady obserwacyjne. Jeśli astronomowie widzą planety blisko gwiazd na dziwnie pochylonych, wydłużonych albo wręcz odwróconych orbitach, jednym z wyjaśnień mogą być dawne grawitacyjne starcia. Układ planetarny po takiej awanturze nie wygląda jak spokojny model. Wygląda jak miejsce po bójce: jedna planeta zniknęła, druga została, ale z orbitą porysowaną przez spotkanie.
To też przypomina, że układy planetarne nie zawsze są stabilne. Szczególnie na wczesnych etapach życia gwiazdy mogą być dynamiczne, chaotyczne i podatne na migracje. Planety rodzą się w dysku gazowo-pyłowym, potem przesuwają orbity, oddziałują z dyskiem, z innymi planetami i z gwiazdowymi towarzyszami. Nasz Układ Słoneczny wygląda dziś spokojnie, ale nawet on przeszedł fazy migracji wielkich planet. W wielu innych układach ta historia mogła być znacznie bardziej brutalna.
Nowy model nie wyjaśnia wszystkich samotnych światów
Autorzy szacują, że opisany mechanizm może odpowiadać za ok. 8 proc. planet swobodnych. To nie brzmi oczywiście jak dominująca odpowiedź, ale przy ogromnej spodziewanej liczbie takich obiektów nawet 8 proc. oznacza wielką populację. Jeżeli Galaktyka jest pełna samotnych planet, to miliardy z nich mogły zostać wyrzucone właśnie przez takie spotkania.
Przeczytaj także:
Trzeba też pamiętać, że mówimy o preprincie i modelu numerycznym. To nie jest obserwacja konkretnego układu, w którym astronomowie widzą planetę wyrzucaną w ciemność. To fizycznie sensowny scenariusz sprawdzony w symulacjach. Dobrze pasuje do tego, co wiemy o częstych superziemiach, gorących jowiszach, układach podwójnych gwiazd i dynamicznych orbitach, ale wymaga jeszcze testów obserwacyjnych.
