„Niezwykle masywna” – astronomowie odkryli planetę, która nie powinna istnieć

Naukowcy z Penn State odkryli niezwykle masywną planetę LHS 3154b, krążącą wokół ultrachłodnego karła. To odkrycie, które zaprzecza obecnym teoriom, skłania do ponownej oceny procesów powstawania gwiazd i planet.

Zdaniem badaczy z Penn State, odkrycie planety tak masywnej w stosunku do jej Słońca podważa to, co wcześniej wiedziano na temat powstawania planet i ich układów słonecznych.

W badaniu opublikowanym 30 listopada w czasopiśmie NaukiNaukowcy ogłosili odkrycie planety o masie ponad 13 razy większej od Ziemi, krążącej wokół „ultrachłodnej” gwiazdy LHS 3154, która sama w sobie jest dziewięć razy mniej masywna od Słońca. Stosunek masy nowo odkrytej planety do jej gwiazdy macierzystej jest ponad 100 razy większy niż masa Ziemi i Słońca.

Ten film jest artystyczną prezentacją nowo odkrytego układu LHS 3154, w skład którego wchodzi planeta znacznie większa w stosunku do swojego słońca, niż przewidują obecne modele. Źródło: Abigail Hope Minnich

Kwestionowanie aktualnych teorii

Odkrycie ujawnia najbardziej masywną planetę znaną na bliskiej orbicie wokół ultrachłodnego karła, gwiazdę o najniższej masie i najzimniejszą we wszechświecie. Odkrycie to jest sprzeczne z przewidywaniami obecnych teorii na temat powstawania planet wokół małych gwiazd i stanowi pierwszy przypadek zaobserwowania planety o tak dużej masie krążącej wokół gwiazdy o małej masie.

„To odkrycie naprawdę pokazuje, jak mało wiemy o wszechświecie” – powiedział Suvrath Mahadevan, profesor astronomii i astrofizyki w Penn State i współautor artykułu. „Nie spodziewaliśmy się tak masywnej planety krążącej wokół gwiazdy o małej masie”.

Artystyczne przedstawienie zbiorczego porównania LHS 3154, naszej Ziemi i naszego Słońca. Źródło: Uniwersytet Stanowy Pensylwanii

Powstawanie gwiazd i planet

Wyjaśnił, że gwiazdy powstają z dużych obłoków gazu i pyłu. Po uformowaniu się gwiazdy gaz i pył pozostają w postaci dysków materii krążących wokół nowonarodzonej gwiazdy, które ostatecznie mogą przekształcić się w planety.

„Oczekuje się, że dysk planetarny wokół małomasywnej gwiazdy LHS 3154 będzie miał wystarczającą masę stałą, aby uformować tę planetę” – powiedział Mahadevan. „Ale istnieje, więc teraz musimy ponownie rozważyć naszą wiedzę na temat powstawania planet i gwiazd”.

Badacze z Penn State, Suvrath Mahadevan i Megan Delamere, wyjaśniają odkrycie masywnej planety krążącej wokół małej gwiazdy. Źródło: Uniwersytet Stanowy Pensylwanii

Wykrywanie za pomocą HPF

Naukowcy obserwowali masywną planetę LHS 3154b za pomocą spektrografu astronomicznego zbudowanego w Pensylwanii przez zespół naukowców pod przewodnictwem Mahadevana. Narzędzie o nazwie Habitable Zone Planet Finder (HPF) ma na celu odkrywanie planet krążących wokół najzimniejszych gwiazd poza Układem Słonecznym, na których powierzchni może znajdować się woda w stanie ciekłym – kluczowy składnik życia.

Odkrywanie planet wokół ultrachłodnych gwiazd

Chociaż bardzo trudno jest wykryć takie planety wokół gwiazd takich jak nasze Słońce, niska temperatura ultrachłodnych gwiazd oznacza, że ​​planety, które mogą posiadać na powierzchni wodę w stanie ciekłym, znajdują się znacznie bliżej swojej gwiazdy niż Ziemia i Słońce. Ta krótsza odległość między tymi planetami a ich gwiazdami, w połączeniu z mniejszą masą ultrachłodnych gwiazd, daje wykrywalny sygnał ogłaszający obecność planety – wyjaśnił Mahadevan.

„Pomyśl o tym tak, jakby gwiazda była ogniskiem. Im zimniejszy staje się ogień, tym bliżej jesteś do niego, aby się ogrzać” – powiedział Mahadevan. „To samo dotyczy planet. Jeśli gwiazda jest chłodniejsza, planeta będzie musiała znaleźć się bliżej niej, jeśli ma być wystarczająco ciepła, aby pomieścić wodę w stanie ciekłym. Jeśli planeta ma orbitę wystarczająco blisko swojej ultrachłodnej gwiazdy, możemy ją wykryć, obserwując bardzo niewielką zmianę koloru lub światła widma gwiazdy, gdy jest ona ciągnięta przez krążącą wokół planetę.

Artystyczna wizja możliwego widoku z LHS 3154b w kierunku swojej małomasywnej gwiazdy macierzystej. Biorąc pod uwagę dużą masę, LHS 3154b prawdopodobnie ma skład podobny do Neptuna. Źródło: stan Penn

Znaczenie HPF

Znajdujący się na Teleskopie Hobby-Eberly’ego w Obserwatorium McDonalda w Teksasie HPF zapewnia jedne z najwyższych jak dotąd pomiarów rozdzielczości sygnałów podczerwonych z pobliskich gwiazd.

„Dokonanie odkrycia za pomocą HPF było czymś wyjątkowym, ponieważ jest to nowy instrument, który zaprojektowaliśmy, opracowaliśmy i zbudowaliśmy od podstaw w celu badania nieznanych populacji planet wokół gwiazd o mniejszej masie” – powiedział Gumundur Stefansson. NASA Sagan Fellow w astrofizyce Uniwersytet Princeton oraz główny autor artykułu, który pomógł w opracowaniu HPF i pracował nad badaniem jako student na Uniwersytecie Penn State. „Teraz zbieramy nagrody, poznając nowe i nieoczekiwane aspekty tej ekscytującej grupy planet krążących wokół pobliskich gwiazd”.

Narzędzie dostarczyło już ważnych informacji w Odkrycie i potwierdzenie Stefansson wyjaśnił, że istnieją nowe planety, jednak odkrycie planety LHS 3154b przeszło wszelkie oczekiwania.

Ponowne rozważenie teorii powstawania planet

„Na podstawie istniejących prac badawczych przy użyciu HPF i innych instrumentów, obiekt taki jak ten, który odkryliśmy, jest prawdopodobnie niezwykle rzadki, więc jego odkrycie było naprawdę ekscytujące” – powiedziała Megan Delamere, absolwentka astronomii na Penn State i współautorka badań projekt. papier. „Nasze obecne teorie na temat powstawania planet mają trudności z wyjaśnieniem tego, co widzimy”.

Delamere wyjaśnił, że w przypadku odkrytej masywnej planety krążącej wokół gwiazdy LHS 3154, rdzeń ciężkiej planety, jak wynika z pomiarów zespołu, wymagałby większej ilości materiału stałego w dysku planety, niż przewidują obecne modele. Odkrycie rodzi również pytania o wcześniejsze zrozumienie procesu powstawania gwiazd, ponieważ stosunek masy i pyłu do gazu w dysku okołogwiazdowym takim jak LHS 3154 – gdy był młody i dopiero powstawał – musiał być dziesięciokrotnie wyższy. Z tego, co zaobserwowano, doszło do powstania masywnej planety, takiej jak ta odkryta przez zespół.

„To, co odkryliśmy, stanowi ekstremalny przypadek testowy dla wszystkich istniejących teorii powstawania planet” – powiedział Mahadevan. „Właśnie do tego zbudowaliśmy HPF, aby odkryć, w jaki sposób najczęstsze gwiazdy w naszej galaktyce tworzą planety – i znaleźć te planety”.

Odniesienie: „A Neptun-Masa Egzoplaneta „Na bliskiej orbicie wokół gwiazdy o małej masie przeciwstawia się modelom powstawania” Gumundura Stefanssona, Suvratha Mahadevana, Yamili Miguel, Paula Robertsona, Megan Delamere, Shubhama Kanodii, Caleba I. Kaniasa, Joshuy N. Wynna, Joe B. Neenana, Ryana C. Therrien, Ray Holcomb, Eric B. Ford, Brianna Zawadzki, Brendan B. Bowler, Chad F. Bender, William D. Cochran, Scott Diddams, Michael Endell, Connor Frederick, Samuel Halverson, Fred Harty, Gary J. Hill, Andrea S. J. Lane, Andrew J. Metcalf, Andrew Munson, Lawrence Ramsay, Arpita Roy, Christian Schwab, Jason T. Wright i Gregory Zeman, 30 listopada 2023 r., Nauki.
doi: 10.1126/science.abo0233

Inni autorzy artykułu z Penn State to Eric Ford, Brianna Zawadzki, Fred Harty, Andrea Lin, Lawrence Ramsay i Jason Wright. Inni autorzy tej pracy to Joshua Wen z Uniwersytetu Princeton, Yamila Miguel z Uniwersytetu w Lejdzie, Paul Robertson z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Irvine, Ray Holcomb z Uniwersytetu Kalifornijskiego i Shubham Kanodia z Uniwersytetu Kalifornijskiego. Instytut Nauki CarnegieCaleb Kanias z Centrum Lotów Kosmicznych Goddard w NASA, Joe Neenan z indyjskiego Instytutu Badań Podstawowych Tata, Ryan Therrien z Carleton College, Brendan Bowler, William Cochran, Michael Endel i Gary Hill z Uniwersytetu Teksasu w Austin oraz Chad Bender z Uniwersytetu Teksasu w Austin. University of Arizona, Scott Diddams, Connor Frederick i Andrew Metcalf z University of Colorado, Samuel Halvorson z Jet Propulsion Laboratory of the California Institute of Technology, Andrew Munson z University of Arizona, Arpita Roy z Johns Hopkins University, Christian Schwab z Macquarie University w Australii i Gregory Zeeman z Hobby Telescope oraz Eberly na Uniwersytecie Teksasu w Austin.

Prace te zostały sfinansowane przez Centrum ds. egzoplanet i światów mieszkalnych w Penn State, konsorcjum Space Grant Consortium z Pensylwanii, Narodową Agencję Aeronautyki i Przestrzeni Kosmicznej, Narodową Fundację Nauki i Fundację Hysing-Simons.