Bezgazowy gigant o masie 73 razy większej od masy Ziemi wprawia w zakłopotanie swoich odkrywców – Ars Technica

Naukowcy pracowali nad modelami powstawania planet, zanim wiedzieliśmy, że istnieją egzoplanety. Modele te pierwotnie opierały się na właściwościach planet w naszym Układzie Słonecznym i okazały się niezwykle dobre w uwzględnianiu egzoplanet, które nie mają odpowiedników w naszym Układzie Słonecznym, takich jak superziemie i gorące Neptuny. Dodaj do tego zdolność planet do poruszania się dzięki oddziaływaniom grawitacyjnym, a właściwości egzoplanet zwykle można wziąć pod uwagę.

Dziś duży międzynarodowy zespół badaczy ogłasza odkrycie czegoś, czego nasze modele nie potrafią wyjaśnić. Jest mniej więcej wielkości Neptuna, ale cztery razy większy. Jego gęstość – znacznie większa niż żelaza – odpowiada temu, że cała planeta jest prawie całkowicie stała lub posiada ocean wystarczająco głęboki, aby zanurzyć całe planety. Choć ludzie, którzy go odkryli, przedstawiają dwie teorie jego powstania, żadna z nich nie jest szczególnie prawdopodobna.

dziwne … dziwne

Badania nowej planety rozpoczęły się tak, jak wiele osób robi to teraz: została zidentyfikowana jako obiekt zainteresowania przez satelitę Transiting Exoplanet Survey (TOI, w skrócie TESS Object of Interest). TOI-1853 to gwiazda nieco mniejsza od naszego Słońca, o masie około 0,8 razy większej. Istnieją wyraźne oznaki istnienia planety blisko gwiazdy, zwanej obecnie TOI-1853 b. Planeta krąży blisko swojej gwiazdy macierzystej, pokonując pełny obrót w 1,24 dnia.

Naukowcy wykorzystali ten czas do określenia odległości, na jaką obraca się planeta. Na podstawie kombinacji tej odległości, wielkości gwiazdy i ilości światła blokowanego przez planetę, możliwe jest oszacowanie rozmiaru planety. Okazuje się, że jest to około 3,5 razy większy promień Ziemi, co oznacza, że ​​jest tylko nieznacznie mniejszy od Neptuna.

To samo w sobie nie jest niczym niezwykłym. Odkryto wiele planet wielkości Neptuna. Ale połączenie wielkości i bliskości gwiazdy jest nieoczekiwane. Umieszcza ją na tak zwanej „gorącej pustyni Neptuna”, gdzie intensywne promieniowanie gwiazdy wypromieniowuje z atmosfery planety. Neptun, który dociera do gorącego stanu pustynnego, zostaje pozbawiony skalistego jądra, co czyni go super-Ziemią.

Co zatem TOI-1853 b robił na pustyni? Aby się tego dowiedzieć, badacze wykorzystali obserwatoria naziemne do śledzenia ruchu swojej gwiazdy macierzystej w miarę zmiany przyciągania grawitacyjnego TOI-1853 b w miarę jej przemieszczania się po orbicie. Przyspieszenie ruchu gwiazdy spowodowane tym oporem można wykorzystać do oszacowania masy planety.

Okazuje się, że TOI-1853 b ma bardzo Z masy. Jego masę szacuje się na 73 razy większą od Ziemi, czyli ponad czterokrotnie większą od Neptuna. Oznacza to oczywiście, że jego skład musi bardzo różnić się od składu Neptuna.

Chrupiące w środku i na zewnątrz?

Badacze zaangażowani w jego odkrycie poświęcili sporo tekstu, opisując, jak dziwne jest to, co sprawia, że ​​TOI-1853 b. Istnieją planety o podobnej gęstości, ale zwykle znacznie mniejsze, które są super-Ziemiami powstałymi w wyniku pozbawienia atmosfery planety podobnej do Neptuna. Istnieją planety o podobnych masach, ale około dwukrotnie większe i prawdopodobnie posiadające rozległe atmosfery i/lub oceany. „Zajmuje obszar gromady orbitalnej [distance] Naukowcy doszli do wniosku, że „obszar gorących planet, który wcześniej był pozbawiony ciał, odpowiada bardziej suchemu regionowi gorącej pustyni Neptuna”.

Na tym nie koniec dziwactw. Dwie kombinacje mają sens, biorąc pod uwagę występujące tutaj gęstości. Po pierwsze, planeta składa się prawie wyłącznie z materiału skalistego, takiego jak Ziemia, a bardzo cienka atmosfera stanowi najwyżej jeden procent jej masy. Alternatywą jest równomierne rozłożenie masy pomiędzy skalistym rdzeniem a ogromną warstwą wody.

Oczywiście nie będzie to woda, jaką znamy. Biorąc pod uwagę bliskość gwiazdy macierzystej i ogromne ciśnienie panujące w tym dużym oceanie, przynajmniej część tej wody byłaby w stanie nadkrytycznym, a ciśnienie w pobliżu skalistego jądra zmusiłoby ją do uformowania ciał stałych pod wysokim ciśnieniem. Równie dziwnie będzie w sercu. Jak zauważają naukowcy, „właściwości materiału przy tak wysokich ciśnieniach centralnych pozostają niepewne”.

Nie tylko mamy trudności ze zrozumieniem jego teraźniejszości, ale także jesteśmy zagubieni, jeśli chodzi o jego przeszłość. Małe cząsteczki pyłu z dysku planetotwórczego przestaną się gromadzić, zanim TOI-1853 b osiągnie swoją obecną masę, ponieważ nawet mniejsza planeta mogłaby rozbić dysk. Jest mało prawdopodobne, aby powstał w obecnym miejscu, ponieważ ciała stałe mają tam trudności z kondensacją.

Dwie możliwości, mało prawdopodobne

Naukowcy sugerują dwie możliwości. Po pierwsze, grupa planetozymali utworzyła się dalej, a ich orbity uległy destabilizacji w miarę stopniowego wyparowywania dysku. Mogło to doprowadzić do kolizji, które zniszczyły wiele planet, a następnie ich szczątki utworzyły jedno ciało. Jednak w tych procesach nie powstają pojedyncze obiekty i prawdopodobnie potrzeba wielu planet, aby unieść 73% ziemskiego odpowiednika materiału.

Alternatywą jest to, że kilka gazowych olbrzymów powstało znacznie dalej, a następnie zdestabilizowało swoje orbity, pozostawiając jedną bardzo ekscentryczną, z jedną częścią orbity bardzo blisko gwiazdy macierzystej. Pozwoliłoby to na zebranie materiału z wnętrza dysku tworzącego planety, a proces ten mógłby pozwolić planecie podobnej do Jowisza niemal podwoić swoją masę. Jego maksymalna orbita umożliwiłaby również przeniesienie atmosfery do gwiazdy. Po zakończeniu tych procesów interakcje pływowe między planetą a gwiazdą ostatecznie sprawią, że jej orbita stanie się bardziej regularna.

Nie ma nic fizycznie niemożliwego w żadnym z tych możliwych mechanizmów powstawania, ale oba wymagają szeregu nieoczekiwanych zdarzeń. Wszechświat jest duży i takie rzeczy prawdopodobnie gdzieś się wydarzą, ale wydaje się niedorzeczne oczekiwanie, że tak szybko znajdziemy ich skutki.

Jedną z rzeczy, która może pomóc nam zrozumieć pochodzenie TOI-1853 b, jest obecność innych planet w układzie, co może pomóc nam zrozumieć, co działo się w wewnętrznych częściach tego zewnętrznego układu. TOI-1853 b jest tak duża i tak blisko, że emituje masywny sygnał, przez co mielibyśmy problemy z wykryciem jakichkolwiek innych planet w tym układzie. Naukowcy szacują, że blisko gwiazdy mogłoby krążyć coś tak masywnego jak 10 obiektów ziemskich, a byśmy tego nie zauważyli. Ciągła informacja zwrotna może być kluczem do zrozumienia systemu.

Przyroda, 2023. DOI: 10.1038/s41586-023-06499-2 (o identyfikatorach cyfrowych).