Atmosfera młodej egzoplanety niespodziewanie różni się od miejsca jej narodzin
Nowe badania pokazują, że powstawanie planet może być bardziej skomplikowane, niż wcześniej sądzono.
 |
| Dysk protoplanetarny PDS 70 z nową planetą PDS 70b (jasna plama po prawej). Źródło: ESO/A. Müller i inni |
Podobnie jak niektóre dzieci fizycznie przypominają swoich rodziców, wielu naukowców od dawna uważa, że rozwijające się planety powinny przypominać wirujący dysk gazu i pyłu, który je rodzi.
Jednak w nowym artykule zespół astrofizyków odkrył, że podobieństwo może być luźniejsze niż wcześniej sądzono. Badając wciąż formującą się egzoplanetę i otaczający ją dysk macierzysty za pomocą nowych instrumentów w Obserwatorium W.M. Keck, naukowcy odkryli niedopasowany skład gazów w atmosferze planety w porównaniu z gazami w dysku.
Zaskakujące odkrycie potencjalnie potwierdza długo utrzymujący się sceptycyzm, że obecny model powstawania planet proponowany przez naukowców jest zbyt uproszczony.
Wyniki badań zostały opublikowane w Astrophysical Journal Letters. Po raz pierwszy fizycy porównali informacje pochodzące z egzoplanety, jej macierzystego dysku i gwiazdy macierzystej.
Dla astrofizyków obserwacyjnych jeden powszechnie akceptowany obraz formowania się planet był prawdopodobnie zbyt uproszczony – powiedział Chih-Chun „Dino” Hsu z Northwestern, który kierował badaniami. Zgodnie z tym uproszczonym obrazem, stosunek gazów węglowych i tlenowych w atmosferze planety powinien odpowiadać stosunkowi gazów węglowych i tlenowych w jej macierzystym dysku – zakładając, że planeta gromadzi materiały poprzez gazy w swoim dysku. Zamiast tego, znaleźliśmy planetę ze stosunkiem węgla i tlenu, który jest znacznie niższy w porównaniu do jej dysku. Teraz możemy potwierdzić podejrzenia, że obraz powstawania planet był zbyt uproszczony.
Poszukiwanie widocznego materiału urodzeniowego
Wszystkie planety rodzą się z dysku protoplanetarnego, wirującego dysku gazu i pyłu otaczającego nowo narodzoną gwiazdę. Przez miliony lat grawitacja ściąga ten materiał, tworząc skupiska, które ostatecznie przekształcają się w planety. Do niedawna bezpośrednie obserwacje dysków protoplanetarnych i śledzenie narodzin planet było niemożliwe. Większość obserwowalnych egzoplanet jest zbyt stara, a ich dyski protoplanetarne już zniknęły.
Wyjątkiem jest jednak PDS 70, dysk protoplanetarny, który otacza dwie młode gazowe egzoplanety – podobne do Jowisza – o nazwach PDS 70b i PDS 70c. Znajdujące się zaledwie 366 lat świetlnych od Ziemi w konstelacji Centaura planety mają najwyżej 5 milionów lat.
Jest to układ, w którym widzimy zarówno wciąż formujące się planety, jak i materiały, z których się uformowały – powiedział Wang. Poprzednie badania analizowały ten dysk, aby zrozumieć jego skład. Po raz pierwszy byliśmy w stanie zmierzyć skład samej wciąż formującej się planety i zobaczyć, jak podobne są materiały na planecie w porównaniu z materiałami w dysku.
Badanie planetarnych odcisków palców
Aby dokonać pomiarów materiałów, Hsu, Wang i ich zespół zbadali światło emitowane przez PDS 70b. To widmo jest jak odcisk palca, ujawniający skład obiektu, ruch, temperaturę i inne właściwości. Każda cząsteczka lub pierwiastek wytwarza własne widmo. Tak więc, badając te widma, naukowcy mogą wskazywać konkretne cząsteczki lub pierwiastki w obiekcie.
W poprzedniej pracy Wang współtworzył nowe technologie fotoniczne w Obserwatorium Kecka, które umożliwiają astronomom uchwycenie widma docelowych słabych obiektów w pobliżu znacznie jaśniejszych gwiazd. Naukowcy wykorzystali tę technikę, aby wyzerować słabe cechy młodego układu planetarnego.
Te nowe narzędzia umożliwiają wykonywanie naprawdę szczegółowych widm słabych obiektów obok naprawdę jasnych obiektów – powiedział Wang. Wyzwanie polega na tym, że obok bardzo jasnej gwiazdy znajduje się bardzo słaba planeta. Trudno jest wyizolować światło planety, aby przeanalizować jej atmosferę.
Dzięki widmom naukowcy uzyskali informacje na temat tlenku węgla i wody z PDS 70b. Na tej podstawie obliczyli stosunek węgla i tlenu w atmosferze planety. Następnie porównali ten stosunek z wcześniej zgłoszonymi pomiarami gazów w dysku.
Początkowo spodziewaliśmy się, że stosunek węgla do tlenu na planecie może być podobny do tego w dysku – powiedział Hsu. Okazało się jednak, że stosunek węgla do tlenu na planecie był znacznie niższy niż w dysku. Było to nieco zaskakujące i pokazuje, że nasz powszechnie akceptowany obraz formowania się planet był zbyt uproszczony.
Solidne komponenty mogą robić różnicę
Aby wyjaśnić to niedopasowanie, Hsu i Wang uważają, że w grę mogą wchodzić dwa różne scenariusze. Jednym z nich jest to, że planeta mogła uformować się zanim jej dysk wzbogacił się w węgiel. Innym wyjaśnieniem jest to, że planeta mogła rosnąć głównie poprzez pochłanianie dużych ilości materiałów stałych oprócz gazów. Podczas gdy widma pokazują tylko gazy, część węgla i tlenu początkowo mogła zostać pobrana z ciał stałych – uwięzionych w lodzie i pyle.
Jeżeli planeta preferencyjnie pochłania lód i pył, to lód i pył wyparowałyby przed dostaniem się na planetę – powiedział Wang. Może nam to więc mówić, że nie możemy po prostu porównywać gazu z gazem. Składniki stałe mogą mieć duży wpływ na stosunek węgla do tlenu.
W tej pracy zespół badał tylko PDS 70b. Następnie planują obserwować widma innych planet w układzie PDS 70.
Badając te dwie planety razem, możemy jeszcze lepiej zrozumieć historię formowania się układu – powiedział Hsu. Ale jest to tylko jeden układ. Idealnie byłoby, gdybyśmy zidentyfikowali ich więcej, aby lepiej zrozumieć, jak powstają planety.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
