Najczęstsze planety w galaktyce nagle zniknęły. Astronomowie w kropce
Wokół gwiazd podobnych do Słońca sub-Neptuny są wszędzie. Wokół karłów M praktycznie nie istnieją. Astronomowie nie wiedzą do końca dlaczego.
Nasz Układ Słoneczny ma planety skaliste (Merkury, Wenus, Ziemia, Mars) i gazowe olbrzymy (Jowisz, Saturn, Uran, Neptun). Odkąd w 2009 r. teleskop kosmiczny Kepler zaczął masowo wykrywać egzoplanety, to okazało się, że galaktyka jest zdominowana przez dwa typy planet, które u nas nie występują.
Super-Ziemie to skaliste światy o masie do 10 razy większej od Ziemi i promieniach do około 1,5 promienia Ziemi. Są większe od naszej planety, ale wciąż mają twardą powierzchnię. Sub-Neptuny to światy nieco większe (o promieniach od 1,5 do około 4 promieni Ziemi) otoczone grubą atmosferą z wodoru i helu, przypominające pomniejszone wersje Neptuna. Między tymi dwoma typami planet istnieje wyraźna przerwa w rozkładzie rozmiarów, znana jako Dolina Promieni (Radius Valley). To wąski zakres rozmiarów, w którym planet jest podejrzanie mało.
Dotychczasowe wyjaśnienie tej doliny było ciekawe, ale najwidoczniej nie do końca poprawne. Planety rodzą się z gazowym kocem – otoczką wodoru i helu, którą przyciągają z dysku protoplanetarnego wokół młodej gwiazdy. Te, które są wystarczająco masywne, zatrzymują swój koc i stają się sub-Neptunami. Te mniejsze tracą atmosferę pod wpływem intensywnego promieniowania gwiazdy i zostają ogołocone do skalistego rdzenia, stając się super-Ziemiami. Dolina Promieni to granica między tymi, które zdołały utrzymać atmosferę, a tymi, które ją utraciły.
Model jest spójny, wielokrotnie potwierdzony danymi z Keplera i TESS, ale wyłącznie dla gwiazd podobnych do Słońca i nieco mniejszych, tzw. wczesnych karłów M. Nikt do tej pory nie sprawdził systematycznie, czy ten sam wzorzec obowiązuje wokół gwiazd jeszcze mniejszych – późnych karłów M, które stanowią większość populacji galaktyki.
8134 gwiazdy, 77 planet i jedno zaskoczenie, które zmienia cały obraz
Erik Gillis, doktorant z wydziału fizyki i astronomii McMaster University w Hamilton w Kanadzie, postanowił to sprawdzić. Wykorzystał dane z satelity TESS, który od 2018 r. obserwuje kolejne fragmenty nieba, rejestrując drobne spadki jasności gwiazd spowodowane przechodzeniem planet na ich tle.
Zespół przebadał 8134 średnich i późnych karłów M (gwiazd o masie zaledwie 8 do 40 proc. masy Słońca). To gwiazdy tak małe i blade, że przez lata były praktycznie niedostępne dla przeszukiwań planetarnych. TESS dzięki swojej zdolności do obserwacji milionów gwiazd jednocześnie zmienił to radykalnie.
Wynik to 77 zweryfikowanych kandydatów na planety tranzytowe. Łączna częstość występowania planet o promieniu powyżej 1 promienia Ziemi na orbitach do 30 dni wynosi 1,10 ± 0,16 planety na gwiazdę. To wartość porównywalna z wczesnymi karłami M, co potwierdza, że karły M jako klasa są najbardziej płodnymi gospodarzami małych, bliskich planet w galaktyce.
Ale rozkład rozmiarów tych planet wygląda zupełnie inaczej niż wokół gwiazd słonecznych. Zamiast dwóch wyraźnych pików (super-Ziemie i sub-Neptuny, oddzielone Doliną Promieni) pojawia się jeden pik, wyraźnie skupiony na promieniu 1,25 promienia Ziemi. Super-Ziemie dominują: 0,954 na gwiazdę. Sub-Neptunów jest zaledwie 0,148 na gwiazdę – 5,5 razy mniej. Dolina Promieni, tak wyraźna wokół gwiazd typu słonecznego, wokół późnych karłów M po prostu znika.
To łamie dotychczasowe wyjaśnienia
Późne karły M są gwiazdami niezwykle aktywnymi – emitują potężne rozbłyski ultrafioletowe i rentgenowskie, szczególnie w młodości. Jeśli fotoewaporacja, czyli zdmuchiwanie atmosfer przez promieniowanie gwiazdy, jest głównym mechanizmem tworzącym Dolinę Promieni, to wokół tych gwiazd dolina powinna być głębsza i wyraźniejsza niż wokół Słońca. Więcej promieniowania, skuteczniejsze ogałacanie, więcej ogołoconych rdzeni, głębsza dolina.
Tymczasem obserwujemy coś zupełnie odwrotnego, bo dolina znika. Sub-Neptunów jest tak mało, że nie tworzą osobnego piku w rozkładzie. To oznacza, że fotoewaporacja sama nie wyjaśnia tego, co widzimy. Albo planety wokół tych gwiazd nigdy nie miały grubych atmosfer wodorowo-helowych (bo proces ich formowania przebiegał inaczej), albo atmosfery te mają zupełnie inny skład, który zmienia ich reakcję na promieniowanie.
Wodne światy zamiast gazowych kokonów
Jednym z najciekawszych wyjaśnień, z którymi wyniki są zgodne, jest model akrecji kamykowej z dużym udziałem wody. W takim scenariuszu planety wokół późnych karłów M formują się nie z suchego materiału skalnego i gazu, lecz z kamyków lodowych – drobnych fragmentów materii bogatych w wodę, które migrują ku gwieździe z zewnętrznych regionów dysku protoplanetarnego, za tzw. linią lodu (odległością, poza którą woda zamarza w przestrzeni).
Jeśli planety powstają głównie z materiału bogatego w lód, ich wewnętrzna struktura jest inna niż w klasycznym modelu. Zamiast skalistego rdzenia otoczonego gazowym kokonem mają gęste jądro otoczone grubą warstwą wody w różnych fazach, od ciekłej po nadkrytyczną. Te wodne światy mogą wyglądać jak sub-Neptuny z zewnątrz (mają podobne promienie), ale ich skład jest fundamentalnie różny, a co za tym idzie, inaczej reagują na promieniowanie gwiazdy i inaczej ewoluują.
Model akrecji kamykowej przewiduje, że Dolina Promieni powinna zanikać ze spadkiem masy gwiazdy – dokładnie to, co obserwuje zespół z McMaster. To silne poszlakowe potwierdzenie, choć nie dowód ostateczny. Weryfikacja wymagać będzie pomiarów mas i gęstości tych planet, co z kolei wymaga obserwacji spektroskopowych za pomocą instrumentów klasy ESPRESSO na VLT czy przyszłego ELT.
Brak gorących Jowiszów to kolejny element układanki
Zespół Gillisa znalazł jeszcze jedno. Okazało się, że wokół późnych karłów M nie ma gorących Jowiszów, czyli masywnych gazowych olbrzymów na bardzo bliskich orbitach. Górny limit ich częstości wynosi 0,012 na gwiazdę w ciągu 10 dni orbitalnych, co jest statystycznie zgodne z zerem. Nie ma też Neptunów ani żadnych planet o promieniu powyżej 3 promieni Ziemi.
To potwierdza obraz, w którym późne karły M są gospodarzami wyłącznie małych, skalistych lub wodno-skalistych planet. Duma naszego Układu Słonecznego, czyli wielkie, gazowe światy, wokół większości gwiazd w galaktyce po prostu nie powstają. Co znów ma sens w kontekście modelu akrecji kamykowej, bo dyski protoplanetarne wokół karłów M są mniejsze, mniej masywne i zawierają mniej gazu niż dyski wokół gwiazd słonecznych – nie ma z czego budować gazowych olbrzymów.
To wszystko jest paradoksalnie bardzo ważne
Karły M stanowią ponad 70 proc. gwiazd w Drodze Mlecznej. Jeśli planety wokół nich są wodne, a nie gazowe jak sub-Neptuny, to galaktyka może być pełna światów z ogromnymi ilościami wody. Czy na wodnym świecie z grubą warstwą oceanu pod gęstą atmosferą może powstać życie? Tego nie wiemy. Ale wiemy, że pytanie jest warte zadawania i że odpowiedź zależy od tego, czy planety wokół karłów M mają powierzchnie, po których można chodzić, czy oceany, w których można pływać, czy może jedno i drugie.
Przeczytaj także:
Nasz Układ Słoneczny był kiedyś jedynym przykładem. Teraz, dzięki takim misjom jak TESS, możemy porównywać tysiące systemów i odkrywać wzorce, które łamią nasze założenia. Już wcześniej było zdumiewające, że najczęstsze planety w galaktyce nie istnieją w naszym Układzie Słonecznym. Teraz dochodzi kolejna warstwa. Te najczęstsze planety mogą nie istnieć tam, gdzie jest najwięcej gwiazd. Galaktyka jest bardziej złożona, niż zakładaliśmy, a to dopiero początek.
