Kosmiczna dolinę bez powietrza. Po obu stronach są planety z atmosferą

Im bliżej gwiazdy znajduje się skalista planeta, tym trudniej powinno jej być utrzymać atmosferę. Tyle mówi intuicja i przez lata całkiem dobrze zgadzały się z nią modele. Problem jednak w tym, że Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba zaczął znajdować światy, które najwyraźniej tej zasady nie znają. Są tak gorące, że ich powierzchnie pokrywają oceany lawy, a mimo to wciąż otacza je gruba warstwa gazów.

Naukowcy ze Stanford University proponują teraz rozwiązanie tego paradoksu. Między planetami, które zachowują atmosferę dzięki odpowiedniej odległości od gwiazdy, a piekielnie gorącymi światami podtrzymującymi ją dzięki oceanom magmy może istnieć cała dolina planet praktycznie pozbawionych powietrza.

Punktem wyjścia jest koncepcja nazywana cosmic shoreline, czyli kosmiczną linią brzegową. Nie chodzi o prawdziwą linię rozciągniętą gdzieś w Układzie Słonecznym, lecz o umowną granicę pozwalającą przewidywać, które światy powinny mieć atmosferę.

Można ją sobie wyobrazić podobnie jak linię oddzielającą ocean od lądu. Po jednej stronie znajdują się planety i księżyce zdolne utrzymać gazy, po drugiej obiekty, których atmosfera została z czasem wywiana w przestrzeń.

Najważniejsze są przy tym dwa parametry. Pierwszy to ilość energii otrzymywanej od gwiazdy. Im silniejsze promieniowanie, tym bardziej nagrzewa ono górne warstwy atmosfery i ułatwia cząsteczkom gazu ucieczkę w kosmos. Drugi to prędkość ucieczki, a więc prędkość, którą trzeba osiągnąć, aby wyrwać się spod działania grawitacji planety. Duże i masywne planety mocniej przytrzymują atmosferę niż niewielkie globy.

Ziemia i Wenus znajdują się po bezpieczniejszej stronie tej granicy. Merkury jednak już nie. Jest mały i położony blisko Słońca, dlatego praktycznie nie posiada trwałej atmosfery, a jedynie niezwykle rozrzedzoną egzosferę. Przez lata wydawało się, że podobną zależność można rozciągnąć także na egzoplanety. Potem pojawiła się 55 Cancri e.

55 Cancri e jest jednym z najbardziej ekstremalnych skalistych światów znanych astronomom. To superziemia o masie około 8,8 masy Ziemi i średnicy niemal dwa razy większej od naszej planety.

Okrąża gwiazdę podobną do Słońca, ale znajduje się od niej w odległości zaledwie około 2,3 mln km. Dla porównania Merkurego dzieli od Słońca średnio około 58 mln km. Rok na 55 Cancri e trwa zaledwie około 18 godzin.

Planeta otrzymuje tak ogromne ilości energii, że temperatura jej powierzchni sięga około 2000 K, czyli mniej więcej 1700 st. C, a część skalistej powierzchni pozostaje stopiona. Mówimy więc dosłownie o świecie z oceanem magmy.

W klasycznym modelu taka planeta powinna być wręcz podręcznikowym przykładem miejsca, z którego atmosfera została dawno zerwana przez promieniowanie gwiazdy. Tymczasem Webb pokazał coś zupełnie innego.

Jak pisaliśmy w tekście: A jednak istnieją planety podobne do Ziemi. Następny krok - odkrycie życia, obserwacje 55 Cancri e wskazały na obecność wtórnej atmosfery, prawdopodobnie bogatej w tlenek lub dwutlenek węgla. Pomiary temperatury pokazały też, że ciepło jest transportowane z dziennej na nocną stronę planety, czego trudno oczekiwać od całkowicie nagiego skalistego globu. Co więcej, nowsze modele atmosfery 55 Cancri e wskazują, że może ona mieć ciśnienie rzędu co najmniej 10 barów. To wielokrotnie więcej niż ziemskie ciśnienie przy powierzchni. I tu dotychczasowa kosmiczna linia brzegowa zaczęła się najzwyczajniej po prostu psuć.

Badacze zbudowali model jednocześnie opisujący wnętrze planety, jej stopniowe ochładzanie, ocean magmy, uwalnianie gazów i ucieczkę atmosfery pod wpływem promieniowania gwiazdy.

Rezultat na pierwszy rzut oka wydaje się wręcz przewrotny. Ekstremalnie gorąca planeta może zachować atmosferę właśnie dlatego, że pozostaje ekstremalnie gorąca. Kluczowe jest to, że związki lotne, z których może powstać atmosfera, nie muszą od razu znajdować się nad powierzchnią. Ogromne ilości takich substancji mogą być rozpuszczone w płynnym płaszczu planety, podobnie jak gazy mogą pozostawać rozpuszczone w cieczy.

Dopóki powierzchnia i znaczna część wnętrza pozostają stopione, ocean magmy działa więc jak gigantyczny magazyn. Nie wyrzuca całego zapasu gazów jednocześnie, lecz stopniowo uwalnia je przez proces odgazowania. Atmosfera jest w tym czasie nieustannie niszczona przez promieniowanie gwiazdy. Jednocześnie jednak z wnętrza docierają nowe gazy. Jeżeli tempo obu procesów jest odpowiednio zrównoważone, atmosfera nie znika. Może utrzymywać się przez miliardy lat.

Dotychczasowa kosmiczna linia brzegowa okazuje się więc tylko jedną częścią historii. Badacze proponują teraz drugą granicę, którą nazwali cosmic sandbar. Dosłownie można ją przetłumaczyć jako kosmiczną mieliznę lub kosmiczną łachę piasku.

Porównanie jest tutaj całkowicie celowe. Na ziemskim wybrzeżu łacha piasku może powstać nieco dalej od właściwej linii brzegowej. Między nimi znajduje się obszar wody. W planetarnym odpowiedniku sytuacja jest podobna, tyle że zamiast wody mamy planety pozbawione atmosfery.

Po jednej stronie kosmicznej doliny znajdują się więc światy położone dostatecznie daleko od gwiazdy, aby ich atmosfery nie uciekały zbyt szybko. To klasyczna kosmiczna linia brzegowa. Po drugiej stronie znajdują się ekstremalnie gorące, często masywne superziemie z oceanami magmy. Ich atmosfery są wystawione na potężne promieniowanie, ale mogą być stale uzupełniane przez odgazowujące wnętrze. Między tymi dwoma grupami pojawia się coś niespodziewanego.

Naukowcy nazwali ten obszar rocky airless valley, czyli doliną skalistych planet bez atmosfery. To właśnie tutaj robi się najciekawiej, bo planeta położona nieco dalej od gwiazdy niż 55 Cancri e otrzymuje mniej energii. Teoretycznie powinno to pomagać atmosferze. Model pokazuje jednak, że może wydarzyć się dokładnie odwrotnie. Okazuje się, że chłodniejsza planeta szybciej stygnie.

Jej ocean magmy zaczyna krzepnąć, a płynne wnętrze zamienia się w stały płaszcz. Podczas tego procesu znaczna część substancji lotnych może zostać uwięziona głęboko pod powierzchnią. Planeta traci wówczas mechanizm ciągłego zasilania atmosfery. Pozostała część gazów nad powierzchnią nadal jest wystawiona na działanie promieniowania wysokoenergetycznego gwiazdy i stopniowo ucieka. Gdy zapas z wnętrza przestaje ją skutecznie uzupełniać, atmosfera może zniknąć.

Właśnie dlatego świat nieco chłodniejszy od rozżarzonej superziemi może ostatecznie zostać nagą skałą. Merkury jest dobrym odpowiednikiem takiego scenariusza w Układzie Słonecznym. Ochłodził się, jego wnętrze w dużej mierze zestaliło, a niewielka masa i bliskość Słońca nie pozwoliły mu zachować grubej atmosfery.

Jeszcze dalej od gwiazdy sytuacja ponownie się odwraca. Promieniowanie staje się na tyle słabe, że atmosfera nie jest już usuwana równie efektywnie. W ten sposób dochodzimy do świata takiego jak Wenus, a dalej do Ziemi. Powstaje więc zaskakujący układ: atmosfera, brak atmosfery, znowu atmosfera.

Model uwzględnia jeszcze jeden mechanizm, szczególnie ważny dla planet takich jak 55 Cancri e: ogrzewanie pływowe. Jeżeli planeta porusza się po nawet nieznacznie eliptycznej orbicie, oddziaływanie grawitacyjne gwiazdy bezustannie ją deformuje. Glob jest ściskany i rozciągany, a część energii tych odkształceń zamienia się w ciepło we wnętrzu.

To ten sam podstawowy mechanizm, który napędza gigantyczną aktywność wulkaniczną Io, księżyca Jowisza. W układach zawierających kilka planet ich wzajemne oddziaływania mogą utrzymywać niewielką ekscentryczność orbity przez bardzo długi czas. Dzięki temu planeta nie zdąży całkowicie wystygnąć.

W przypadku 55 Cancri e model pokazuje, że nawet bardzo mała ekscentryczność może dostarczać znaczących ilości energii do wnętrza planety. Ocean magmy może dzięki temu istnieć dłużej, a odgazowanie może trwać przez ogromną część historii układu. To wyjaśnia, dlaczego atmosfera obserwowana dzisiaj nie musi być pozostałością gazów otaczających planetę tuż po jej powstaniu. Pierwotna atmosfera mogła zniknąć dawno temu. Obecna jest wtórna, bo została zbudowana z materiału uwalnianego z wnętrza.

Autorzy pracy wskazują jeszcze jedną możliwość. Część nagich planet znajdujących się w dolinie wcale nie musiała od początku być skalistymi światami podobnymi do Ziemi. Mogły narodzić się jako minineptuny.

Minineptun to planeta większa od Ziemi, ale mniejsza od Neptuna, otoczona grubą warstwą lekkich gazów, przede wszystkim wodoru i helu. Takich planet znamy w galaktyce bardzo dużo, choć w Układzie Słonecznym nie istnieje ani jeden ich odpowiednik. Jeżeli młody minineptun znajdzie się zbyt blisko gwiazdy, promieniowanie może stopniowo zerwać jego gazową otoczkę. Po miliardach lat pozostanie jedynie skaliste jądro. Airless valley może więc częściowo stanowić coś w rodzaju cmentarzyska takich planet – zbioru obnażonych jąder światów, które wcześniej wyglądały zupełnie inaczej.

Nowy model nie oznacza również, że każda planeta pokryta lawą automatycznie dostanie grubą atmosferę. Bardzo dużo zależy od rodzaju gwiazdy. Badacze przeanalizowali gwiazdy typu G, K i M. Słońce należy do typu G. Gwiazdy K są nieco mniejsze i chłodniejsze, a typu M to czerwone karły – najliczniejsze gwiazdy w naszej galaktyce.

To właśnie przy czerwonych karłach perspektywy dla gorących planet wyglądają znacznie gorzej. Młode czerwone karły potrafią przez długi czas emitować ogromne ilości promieniowania rentgenowskiego i ultrafioletowego. Taka aktywność bardzo skutecznie usuwa atmosfery planet położonych blisko gwiazdy.

Według nowego modelu grube atmosfery na światach lawowych krążących wokół gwiazd chłodniejszych niż typ K powinny być stosunkowo rzadkie, chyba że planety dysponują wyjątkowo silnym dodatkowym źródłem ciepła wewnętrznego. Ma to bezpośrednie znaczenie dla badań układów takich jak TRAPPIST-1, w których kilka skalistych planet okrąża chłodnego czerwonego karła.

55 Cancri e sama w sobie nie jest miejscem, w którym astronomowie spodziewają się życia. Ocean lawy i temperatury liczone w tysiącach stopni skutecznie kończą takie rozważania. Nowa praca ma jednak znaczenie również dla znacznie spokojniejszych światów.

Poszukując życia poza Układem Słonecznym, astronomowie muszą najpierw ustalić, które skaliste planety w ogóle posiadają atmosfery. Bez atmosfery trudno mówić o stabilnym klimacie, wodzie w stanie ciekłym i warunkach podobnych do ziemskich.

Przeczytaj także:

Kosmiczna linia brzegowa miała być prostym narzędziem pomagającym wybierać najbardziej obiecujące cele do obserwacji. Odkrycia atmosfer na rozpalonych światach wyglądały początkowo jak poważny problem dla całej koncepcji. Teraz okazuje się, że nie trzeba jej wyrzucać. Trzeba jedynie dorysować drugą linię.

Między nimi powstaje kosmiczna dolina, w której znajdują się planety pozbawione powietrza. Jeszcze bliżej gwiazdy atmosfera może pojawić się ponownie, podtrzymywana przez rozgrzane wnętrze i gigantyczny ocean magmy.

*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI