„Mega-Ziemie” a maksymalna masa planet skalistych
Zespół badawczy z McGill University ustalił, że niektóre spośród najmasywniejszych znanych planet skalistych mogą być lżejsze, niż wynika z dostępnych pomiarów. „Mega-Ziemie”, czyli planety o masie przekraczającej około 10 mas Ziemi, mogą sprawiać wrażenie tak masywnych wskutek aktywności swoich gwiazd macierzystych. Wyniki badania opublikowano w serwisie arXiv.
Według astronomów planety zaczynają otaczać się warstwą gazu, gdy ich promień wynosi około 1,5–1,75 promienia Ziemi, a masa osiąga mniej więcej 4–5 mas naszej planety. Przyciągają wówczas gaz znajdujący się w otaczającym je dysku, przez co przestają być światami złożonymi wyłącznie ze skał. Teoretycznie ich masa może jednak wzrosnąć znacznie bardziej. Symulacje sugerują jednocześnie, że obiekt zbudowany wyłącznie ze skał raczej nie przekroczy masy wynoszącej około 10 mas Ziemi. Tak silna grawitacja powinna bowiem doprowadzić do przyciągnięcia dużych ilości gazu z dysku i powstania grubej otoczki.
Mimo to naukowcy zidentyfikowali kilka planet, których masa przekraczała tę granicę, choć ich gęstość była duża, a rozbudowane otoczki gazowe nie występowały. Gdyby parametry tych obiektów zostały wyznaczone prawidłowo, ich powstanie wymagałoby nietypowych warunków. Jednym z możliwych scenariuszy jest formowanie się planet w wyniku zderzeń, do których doszło już po rozproszeniu dysku gazowego. Innym byłoby powstanie jąder pozostałych po dawnych planetach olbrzymach, które utraciły swoje otoczki.
Wpływ aktywności gwiazd na wyznaczanie mas planet
Jednym z rozważanych wyjaśnień jest oddziaływanie aktywności gwiazd macierzystych na wyniki obserwacji. Do określania masy planet astronomowie wykorzystują między innymi metodę prędkości radialnych (radial velocity, RV). Polega ona na pomiarze ruchu gwiazdy wywołanego grawitacyjnym przyciąganiem krążącego wokół niej obiektu. Silna aktywność magnetyczna gwiazdy może jednak zakłócać takie pomiary.
Podczas obrotu gwiazdy plamy oraz jaśniejsze obszary na jej powierzchni przemieszczają się w polu widzenia obserwatora. Powoduje to zmiany, które mogą przypominać ruch wywołany przez planetę. Takie zakłócenia bywają na tyle silne, że maskują słaby sygnał pochodzący od niewielkiego obiektu. Mogą też zwiększać jego pozorną amplitudę, prowadząc do zawyżenia oszacowanej masy planety.
Osiem planet o zaskakujących parametrach
Aby zweryfikować, czy „mega-Ziemie” rzeczywiście istnieją, astronomowie przejrzeli dane zgromadzone w katalogu NASA Exoplanet Archive. Na początku wybrali planety, których promień nie przekraczał czterokrotności promienia Ziemi. W dalszej analizie uwzględnili tylko te obiekty, których masę wyznaczono za pomocą metody prędkości radialnych. Po wykluczeniu planet o niewiarygodnych pomiarach lub masach określonych na podstawie pośrednich szacunków otrzymali próbę obejmującą 333 obiekty.
Następnie porównali masę poszczególnych planet z ich rozmiarami, poszukując nietypowych zależności między tymi parametrami. Analiza pozwoliła im wskazać osiem obiektów o rzadko spotykanych właściwościach. Każdy z nich miał masę większą niż około 10 mas Ziemi.
Cztery planety wyróżniały się gęstością charakterystyczną dla światów skalistych. Były to WASP-84 c, TOI-1347 b, TOI-2322 c i HD 63433 b. W przypadku pozostałych czterech obiektów badacze wskazali na możliwość występowania wody lub innych ciężkich substancji lotnych (heavy volatiles), przy jednocześnie stosunkowo niewielkiej zawartości wodoru i helu. Do tej grupy zaliczyli GJ 523 b, TOI-815 c, HD 18599 b oraz GJ 143 b.
Kolejnym etapem było zbadanie aktywności magnetycznej gwiazd, wokół których krążą te planety. Naukowcy analizowali emisję w liniach widmowych zjonizowanego wapnia w atmosferach gwiazd. Wybrali je ze względu na ich dużą wrażliwość na ogrzewanie chromosfery, czyli warstwy atmosfery gwiazdowej, przez pole magnetyczne. Proces ten powoduje wzrost natężenia emisji w środkowej części tych linii.
Badacze przyjrzeli się również krzywym blasku uzyskanym przez teleskop TESS. Szukali w nich okresowych zmian jasności związanych z obecnością plam na powierzchniach gwiazd. Wskutek obrotu gwiazdy plamy pojawiają się w polu widzenia i z niego znikają, co prowadzi do wahań obserwowanej jasności.
Analiza wykazała, że wszystkie osiem gwiazd macierzystych cechowało się aktywnością. Naukowcy oszacowali, że prawdopodobieństwo wykrycia czterech skalistych „mega-Ziemi” wokół aktywnych gwiazd wynosiło około 1 proc. Dla całej grupy ośmiu planet prawdopodobieństwo to było jeszcze niższe i wynosiło zaledwie ułamek procenta.
Badacze nie stwierdzili ponadto fizycznych podstaw, by młode gwiazdy o wysokiej aktywności miały sprzyjać powstawaniu tego rodzaju planet. Proces formowania tak masywnych obiektów powinien raczej zajmować więcej czasu, co wskazywałoby na możliwość ich częstszego występowania w starszych układach.
Czy masywne planety skaliste faktycznie istnieją?
Na podstawie uzyskanych wyników astronomowie stwierdzili, że „mega-Ziemie” nie powinny szczególnie często występować wokół młodych gwiazd. Według ich przewidywań planety te powinny być w przybliżeniu równomiernie rozłożone wśród gwiazd macierzystych o różnym wieku i poziomie aktywności. Możliwe jest również, że częściej występują w starszych układach.
Naukowcy wskazali także na problemy z wiarygodnością części zarejestrowanych sygnałów. W przypadku trzech planet ich sygnały były zbyt słabe w porównaniu z poziomem zakłóceń, aby standardowa metoda analizy, określana jako modelowanie procesów gaussowskich (Gaussian process modeling), mogła je wiarygodnie odtworzyć.
W przypadku kolejnych obiektów trudność stanowiło podobieństwo okresów orbitalnych planet i okresów rotacji ich gwiazd macierzystych. Taka zbieżność utrudniała oddzielenie sygnału wywołanego obecnością planety od zmian wynikających z aktywności gwiazdy.
Jednym z przykładów jest HD 63433 b. W jednym badaniu masę tej planety określono na 37 mas Ziemi, natomiast inny zespół, korzystając z odrębnych danych, uzyskał wynik wynoszący około 21 mas Ziemi.
Zdaniem astronomów najbardziej prawdopodobną przyczyną zawyżonych wyników pomiarów jest aktywność gwiazd macierzystych. Jej wpływ może być szczególnie trudny do wyeliminowania w układach, w których okres obrotu gwiazdy jest zbliżony do okresu orbitalnego planety.
Badacze nie uzyskali również przekonujących dowodów potwierdzających, że planety skaliste mogą powstawać z masą większą niż 10 mas Ziemi. Podkreślili, że aktywność gwiazd może zakłócać pomiary mas krążących wokół nich planet, przez co uzyskiwane wartości mogą być mniej wiarygodne.
Astronomowie zalecają wykonywanie kolejnych pomiarów prędkości radialnych w krótszych odstępach czasu. Takie podejście pozwoliłoby dokładniej śledzić zmiany sygnału oraz uwzględniać wpływ aktywności gwiazd. Jak zaznaczają badacze, precyzyjne wyznaczanie mas planet jest istotne, ponieważ błędne określenie ich właściwości może podważać dotychczasowe teorie dotyczące powstawania tych obiektów.
Mariusz Drzewiecki
