Kada su astronomi prije dva desetljeća otkrili prvu egzoplanetu oko obične zvijezde, bili su istovremeno sretni i zbunjeni: otvoreni planet 51 Pegasus b bio je jedan i pol puta masivniji od Jupitera, ali istovremeno se nalazio izuzetno blizu zvijezde: napravio je jednu revoluciju u samo 4 dana, što mnogo brže od Merkura, planeta najbliže Suncu, napravi revoluciju u 88 dana. Teoretičari koji proučavaju planetarnu formaciju nisu vidjeli priliku za formiranje planeta i rast u takvoj blizini novorođenčeta. Možda je ovo bila iznimka od pravila, ali ubrzo je otkriveno još nekoliko vrućih Jupitera, kojima su se pridružili i drugi čudni planeti: u izduženim i visoko nagnutim orbitama, pa čak i rotirajući nasuprot smjeru rotacije matične zvijezde.
Potraga za egzoplanetima ubrzala se od pokretanja svemirskog teleskopa Kepler 2009. godine, a 2.500 svjetova koje je otkrio dodali su statistiku za proučavanje egzoplaneta - a to je donijelo još veću zbrku. Kepler je otkrio da je najčešći tip planeta u galaksiji negdje između Zemlje i Neptuna - super-zemlja koja nema analoga u našem Sunčevom sustavu i smatra se gotovo nemogućim. Moderni zemaljski teleskopi uzimaju svjetlost izravno s egzoplaneta, umjesto da posredno otkrivaju njihovu prisutnost, kao što to čini Kepler, a ti su podaci također neobični. Otkriveni su divovski planeti s masom nekoliko puta većom od mase Jupitera, udaljenost od matičnih zvijezda dvostruka je udaljenost od Neptuna do Sunca - to jest oni se nalaze u drugoj regiji,gdje su teoretičari smatrali rođenje velikih planeta nemogućim.
"Od početka je bilo očito da se opažanja ne podudaraju baš s teorijom", kaže Bruce McIntosh, fizičar sa Sveučilišta Stanford u Palo Altu u Kaliforniji. "Nikada nije bilo trenutka kada je teorija potvrdila to opažanje."
Teoretičari pokušavaju stvoriti scenarije za "rast" planeta na mjestima koja su se nekada smatrala zabranjenim. Oni predviđaju da se planeti mogu oblikovati u mnogo pokretnijim i kaotičnijim sredinama nego što su to ikada prije zamišljali, a planete koji se rađaju kreću se iz kružnih orbita blizu zvijezde, do izduženih i udaljenijih. Ali stalno rastući zoološki vrt egzotičnih planeta koje istraživači promatraju znači da je svaki novi model preliminarni. "Svakog dana možete otkriti nešto novo", kaže astrofizičar Thomas Henning s Instituta za astronomiju. Max Planck u Heidelbergu, Njemačka. "To je poput otkrivanja novih polja tijekom žurbe sa zlatom."
Tradicionalni model formiranja zvijezda i njihovih planeta datira iz 18. stoljeća, kada su znanstvenici sugerirali da se polako rotirajući oblak prašine i plina može srušiti pod vlastitom gravitacijom. Većina materijala tvori kuglu, koja se skuplja, zagrijava i postaje zvijezda kad joj središte postane dovoljno gusto i vruće da pokrene termonuklearne reakcije. Gravitacija i zamah momenta sakuplja preostali materijal oko protostara u ravni disk od prašine i plina. Prilikom kretanja ovim diskom čestice materijala se sudaraju i "lijepe" zajedno elektromagnetskim silama. Tijekom nekoliko milijuna godina, čestice izrastu u žitarice, šljunak, gromade i na kraju kilometre dugačke plasteimive.
U ovom trenutku gravitacija preuzima, dolazi do sudara planeteimala i prostor se potpuno čisti od prašine, uslijed čega nastaje nekoliko punopravnih planeta. Do trenutka kada se to dogodi u unutarnjem dijelu diska, većinu plina iz njega apsorbira zvijezda ili je otpuhuje njezin zvjezdani vjetar. Manjak plina znači da unutarnji planeti ostaju uglavnom stjenoviti, s tankom atmosferom.
Proces rasta, poznat kao akumulacija jezgre, brži je u vanjskim dijelovima diska, gdje su temperature dovoljno niske da voda zamrzne. Led u ovom slučaju nadopunjuje prašinu, što omogućava protoplanetima brže konsolidacije. Rezultat je čvrsta jezgra pet do deset puta teža od Zemlje - dovoljno brza da vanjska regija protoplanetarnog diska ostane bogata plinom. Pod utjecajem gravitacije, jezgra "povlači" za sobom plin iz diska, stvarajući plinovitog diva poput Jupitera. Uzgred, jedan od ciljeva svemirskog broda Juno, koji je poletio na Jupiter ranije ovog mjeseca, je utvrditi ima li planet zaista masivno jezgro.
Promotivni video:
Ovaj scenarij stvara planetarni sustav sličan našem: mali stjenoviti planeti s tankom atmosferom su blizu zvijezde; postoji plinoviti div poput Jupitera neposredno ispred linije snijega (gdje je temperatura dovoljno hladna da voda smrzne), a drugi se divovi postupno pojavljuju na velikim udaljenostima i ispadaju da su manji jer se sporije kreću u svojoj orbiti i treba im više vrijeme za prikupljanje materijala za protoplanetarni disk. Svi planeti ostaju približno tamo gdje su se formirali, i kreću se u kružnim orbitama u istoj ravnini. Lijepo i uredno.
Ali otkriće vrućih Jupitera sugeriralo je da nešto ozbiljno nije u skladu s teorijom. Planeta sa orbitom koja traje samo nekoliko dana u orbiti je vrlo blizu zvijezde, što ograničava količinu materijala koju može oblikovati. Izgledalo je neshvatljivo da se na takvom mjestu može stvoriti plinski div. I neizbježan zaključak je da bi se takav planet trebao formirati znatno dalje od svoje zvijezde.
Teoretičari su smislili dva moguća mehanizma za pomicanje planetarne palube. Prva, poznata kao migracija, zahtijeva mnogo materijala da ostane na disku nakon formiranja divovskog planeta. Gravitacija planeta iskrivljuje disk, stvarajući područja veće gustoće, koja zauzvrat imaju gravitacijski utjecaj na planet, uzrokujući ga da postupno napušta disk u pravcu zvijezde.
Postoje potporni dokazi za ovu ideju. Susjedni planeti često se nalaze u stabilnom gravitacijskom "snopu" poznatom kao orbitalna rezonanca - tj. Duljine njihovih orbita povezane su kao mali cijeli brojevi. Na primjer, kada se Pluton dvaput okrene oko Sunca, Neptun se ima vremena okrenuti točno tri puta. Vrlo je malo vjerovatno da se to dogodilo slučajno, pa se najvjerojatnije dogodilo tijekom migracije, čime su planeti dali dodatnu gravitacijsku stabilnost. Migracije u ranoj povijesti našeg Sunčevog sustava mogle bi objasniti druge neobičnosti, uključujući malu veličinu Marsa i asteroidni pojas. Da bi ih objasnili, teoretičari su izmislili hipotezu o "velikom odstupanju", u kojoj se Jupiter u početku formirao bliže Suncu, nakon čega je zaronio prema unutra gotovo do Zemljine orbite, skupljajući materijal i na taj način "lišavajući" Mars od njega.i nakon formiranja Saturna, pod utjecajem gravitacije i tlaka plina u unutarnjem dijelu diska, vratio se natrag, usput "odvodeći" ostatke prašine i plastemile u asteroidni pojas.
Neki modeli modeli smatraju da su takvi scenariji nepotrebno složeni. "Doista vjerujem u Occamov britvicu (" Ono što se može učiniti s manje [pretpostavki] ne treba raditi s više ", - približno Transl.)", Kaže Greg Laughlin, astronom sa kalifornijskog sveučilišta u Santa Cruzu). Laughlin tvrdi da su se planeti najvjerojatnije formirali na istom mjestu gdje ih sada vidimo. Kaže da bi se veliki planeti mogli formirati u blizini njihove zvijezde ako protoplanetarni diskovi sadrže mnogo više materijala nego što se prije mislilo. Još se može dogoditi neko planetarno kretanje - dovoljno za objašnjenje, na primjer, rezonanca, ali "ovo je posljednji pregib, a ne glavni cjevovod", kaže Laughlin.
Ali drugi teoretičari kažu da jednostavno ne može biti dovoljno materijala za formiranje planeta tako blizu zvijezda, kao što su 51 Pegasus b i druge, koje su još bliže. "Oni se nisu mogli formirati na njihovom mjestu", kaže fizičar Joshua Wynn s Massachusetts Institute of Technology. I značajan udio egzoplaneta koji se nalaze u duguljastoj, nagnutoj ili čak obrnutoj orbiti također čini se da impliciraju neku vrstu miješanja planetarnih sustava.
Kako bi objasnili ove neobičnosti, teoretičari navode „oružje od gužve“- gravitaciju, a ne sedativnu migraciju. Materijalno bogati protoplanetarni disk mogao bi stvoriti mnoge planete jedna pored druge, gdje bi utjecaj gravitacije mogao napraviti orbite nekih od njih blizu zvijezde, naginjati se, pa čak i izbaciti planet iz sustava. Drugi potencijalni razarač je suputnička zvijezda u duguljastoj orbiti. Većinu vremena ovo je predaleko da bi imalo značajan utjecaj na planetarni sustav, ali u blizini bi moglo značajno "prebaciti" orbite planeta. Ili, ako je matična zvijezda član blisko spletenog zvjezdanog skupa, susjedna zvijezda može se dovoljno približiti da pomiješa svoje orbite ili čak „zgrabi“jednu ili više planeta za sebe."Postoji mnogo načina da se razbije planetarni sustav", kaže Wynn.
Neočekivani zaključak doneli su istraživači koji su proučavali planete koje je pronašao Kepler - pokazalo se da se 60% super-Zemlje koje kreću u orbiti oko sunčevih zvijezda značajno razlikuje od onoga što promatramo u Sunčevom sustavu i zahtijevaju preispitivanje postojećih teorija. Većina super-zemlja, uglavnom čvrstih s malim količinama plina, slijede orbite bliže zvijezdama nego Zemlji, a često zvijezde imaju više od jednog takvog planeta. Na primjer, sustav Kepler-80 ima četiri super-Zemlje, sve s orbitama od 9 dana ili manje. Konvencionalna teorija drži da je izranjanje unutar snježne linije prespor za stvaranje tako velikog broja. Ali super-Zemlje se rijetko nalaze u rezonantnim orbitama, što sugerira da nisu migrirali, već su nastali odmah tamo gdje ih nalazimo.
Istraživači pronalaze nove načine rješavanja ovog problema. Jedna od ideja je ubrzati obrastanje postupkom koji se naziva i šljunčana prirasta. Plin bogati disk ima velik utjecaj na predmete veličine šljunka. To ih obično usporava, prisiljavajući ih da se približe zvijezdi. Ali što su bliže zvijezdi, to je veća gustoća i, kao rezultat, brzina formiranja platesimala povećava se sa smanjenjem udaljenosti od zvijezde. Ali ubrzana akceracija i disk bogat plinom stvaraju vlastiti problem: u tom bi slučaju super-Zemlje trebali steći gustu atmosferu kad premaše određenu veličinu. "Kako im spriječiti da postanu plinski divovi?" pita astrofizičara Romana Rafikova s Instituta za napredni studij u Princetonu, New Jersey.
Eugene Chang, astronom sa kalifornijskog sveučilišta u Berkeleyu, kaže da nema potrebe za ubrzavanjem akcesije sve dok je disk zasićen i bogat plinom. Unutarnji disk 10 puta gušći od onog koji je stvorio Sunčev sustav mogao bi lako stvoriti jednu ili više super-zemlja, koje će se pojaviti u posljednjim danima protoplanetarnog diska, kada je većina plina već nestala, rekao je.
Neka preliminarna zapažanja velikog mm / submilimetarskog teleskopa ALMA na sjeveru Čilea podržavaju ovaj prijedlog. ALMA može vizualizirati radio emisiju prašine i šljunka na protoplanetarnim diskovima, a nekoliko diskova koje je dosad proučavao čini se da su relativno masivni. No opažanja još uvijek nisu krajnja istina, jer ALMA još nije u potpunosti operativna i može se koristiti samo za promatranje vanjskih dijelova diskova, a ne područja u kojima se nalaze super-Zemlje. "Moći ćemo vidjeti unutarnja područja kada ALMA može upotrijebiti sve svoje 66 antena", kaže Chang.
Chang također ima objašnjenje za Keplerovo drugo otkriće: superpukovi, rijetka i jednako problematična vrsta planeta koja su lakša od super-Zemlje, ali izgledaju ogromna zbog bujne atmosfere koja čini 20% njihove mase. Smatra se da se takve planete formiraju u disku bogatom plinom. Ali u unutarnjem disku takav volumen vrućeg plina ne mogu zadržati sile slabe gravitacije protoplaneta, tako da je hladan i gust plin vanjskog diska vjerojatnije mjesto za podrijetlo takvih planeta. Chang pripisuje migraciji svojih orbita bliskih zvijezda tvrdnju potkrijepljenu činjenicom da se superpukovi često nalaze zarobljeni u rezonantnim orbitama.
Do sada se većina pozornosti u istraživanju egzoplaneta usredotočila na unutarnje dijelove planetarnih sustava, do približno udaljenosti koja je ekvivalentna orbiti Jupitera, iz jednostavnog razloga što sve postojeće metode otkrivanja egzoplaneta ne dopuštaju njihovo pronalazak na većoj udaljenosti od zvijezde. Dvije glavne metode - mjerenje vibracija zvijezda uzrokovanih gravitacijskim utjecajem planeta i mjerenje periodičnog zamračenja zvijezdovog diska kako planete prolaze kroz njega - omogućavaju vam da pronađete velike planete u bliskim orbitama. Snimanje slika samih planeta izuzetno je teško jer njihovu slabu svjetlost gotovo utapa svjetlost njihovih zvijezda, koja može biti i milijardu puta svjetlija.
Ali koristeći najbolje teleskope na svijetu, astronomi su mogli vidjeti nekoliko planeta. Spektropolarimetrijski sustav visokog kontrasta (SPHERE) i Twin Planet Imager (GPI), dodani velikim teleskopima u Čileu, opremljeni su sofisticiranim maskama nazvanim koronagrafima za uklanjanje zvijezde. Stoga nije čudno da su planete udaljene od svojih zvijezda najlakše mete za njih.
Jedan od najranijih i najupečatljivijih planetarnih sustava otkriven izravnim snimanjem je onaj oko HR 8799, gdje su četiri planeta smještene od zvijezde na udaljenosti od orbite Saturna do više od dvostruke orbite Neptuna. Najčudesnije je to što su sve četiri planete ogromne, više od pet puta veće od Jupitera. Prema teoriji, planeti u tako udaljenim orbiti kreću se tako sporo da bi trebali rasti brzinom puža i nakupljati se mase, znatno manje nego Jupiterove do trenutka nestanka plina i prašine. Pa ipak, njihova "dobra" kružna orbita sugerira da su se odmah formirali na njima, a nisu se migrirali na njih iz područja bliže zvijezdi.
Takvi daleki divovi daju potporu najradikalnijoj teoriji u kojoj se pojedini planeti ne formiraju pomoću akumulacije, već kroz takozvanu gravitacijsku nestabilnost. Za ovaj je proces potreban protoplanetarni disk bogat plinom koji se pod vlastitom gravitacijom raspada u "nakupine". Te se akumulacije plina na kraju kombiniraju i urušavaju u plinske planete bez formiranja čvrste jezgre. Modeli pretpostavljaju da će mehanizam raditi samo pod određenim okolnostima: plin mora biti hladan, ne smije se okretati prebrzo, a komprimirani plin mora biti u mogućnosti učinkovito uklanjati toplinu. Može li ova teorija objasniti planete oko HR 8799? Rafikov kaže da su samo dva vanjska planeta dovoljno daleko i hladno. "To je još uvijek prilično zagonetni sustav", kaže on.
U prošlosti su promatranja protoplanetarnih diskova radio-teleskopom pružala određenu podršku teoriji gravitacijske nestabilnosti. Osjetljivi na hladni plin, teleskopi su pronašli diskove "poškropljene" nakupinama plina. Ali najnovije slike ALMA-e oslikavaju drugačiju sliku. ALMA je osjetljiv na kraćim valnim duljinama, pri čemu zrnca prašine emitiraju u srednjoj ravnini diska, a njegove slike zvijezde HL Tauri 2014. i TW Hydrae ove godine pokazale su glatke simetrične diskove s tamnim kružnim "prazninama" koji se protežu daleko izvan orbita Neptuna (vidi donju sliku). "Bilo je to nevjerojatno iznenađenje. Disk nije bio kaotičan, imao je ugodnu, pravilnu, lijepu strukturu ", kaže Rafikov. Ove praznine, sugestije za planete koji su ih stvorili,jasno govore u prilog modelu akcesije, što je udar na zagovornike modela gravitacijske nestabilnosti.
Još je rano govoriti o tome koja će druga iznenađenja imati GPI i SPHERE. Ali regija između udaljenih regija planetarnih sustava i obližnjih okolina zvijezda s vrućim Jupiterima i super-Zemljama ostaje tvrdoglavo izvan domašaja: preblizu zvijezdi za izravnu vizualizaciju i predaleko za neizravne metode temeljene na oscilacijama ili zamračenju matične zvijezde. Kao rezultat toga, teoretičarima je teško dobiti cjelovitu sliku o tome kako izgledaju egzoplanetarni sustavi. "Baziramo se na fragmentarnim i nepotpunim opažanjima", kaže Laughlin. "Trenutno su sve pretpostavke vjerojatno pogrešne."
Astronomi neće morati dugo čekati na nove podatke. NASA će sljedeće godine lansirati Exoplanet imaging satelit (TESS), a u to vrijeme se očekuje i da će Europska svemirska agencija (ESA) lansirati satelit za karakterizaciju egzoplaneta (CHEOPS). Za razliku od Keplera, koji je istraživao široku paletu zvijezda samo da bi identificirao egzoplanete, TESS i CHEOPS će se usredotočiti na zvijezde blizu Sunca, omogućujući istraživačima proučavanje migratorne terra incognita. Budući da su ciljne zvijezde u blizini Sunčevog sustava, zemaljski teleskopi trebali bi biti u stanju procijeniti masu otkrivenih planeta, omogućujući istraživačima da izračunaju njihovu gustoću i znaju jesu li krute ili plinovite.
Teleskop James Webb, koji će biti lansiran ove godine, moći će ići još dalje analizom svjetlosti zvijezde koja prolazi kroz atmosferu egzoplaneta kako bi se utvrdio njezin sastav. "Sastav je važan ključ za oblikovanje", kaže Macintosh. Na primjer, potraga za teškim elementima u atmosferi super-Zemlje može ukazivati da je za bogat formiranje planetarnih jezgara potreban disk bogat takvim elementima. I u sljedećem desetljeću, svemirske letjelice poput TESS-a i CHEOPS-a pridružit će se lovu za egzoplanetima, zajedno s novom generacijom ogromnih prizemnih teleskopa s ogledalima dužine 30 i više metara.
Ako su posljednje stare teorije pomogle manekenima da čvrsto stanu na noge, tada će se pod pritiskom novih otkrića ovaj temelj početi raspadati, a istraživači će se morati znojiti da bi ostali na nogama. "Priroda je pametnija od naših teorija", kaže Rafikov.
EGOR MOROZOV