Když astronomové objevili první exoplanet kolem obyčejné hvězdy před dvěma desetiletími, současně se radovali a zmateně: otevřená planeta 51 Pegasus b byla jeden a půlkrát hmotnější než Jupiter, ale zároveň byla umístěna extrémně blízko hvězdy: udělala jednu revoluci za pouhé 4 dny, což znamená, mnohem rychleji než Merkur, planeta nejblíže ke Slunci, provede revoluci za 88 dní. Teoretici studující planetární formaci neviděli příležitost pro formování planety a růst v takové blízkosti novorozené hvězdy. Možná to byla výjimka z pravidla, ale brzy bylo objeveno několik dalších horkých Jupiterů, k nimž se přidaly další podivné planety: na protáhlých a velmi nakloněných drahách, a dokonce se otáčí proti směru otáčení mateřské hvězdy.
Hon na exoplanety se od uvedení Keplerova vesmírného dalekohledu v roce 2009 zrychlil a 2 500 světů, které objevil, přidalo statistiku ke studiu exoplanet - a to přineslo ještě větší zmatek. Kepler zjistil, že nejběžnějším typem planety v galaxii je někde mezi Zemí a Neptunem - super-země, které nemají v naší sluneční soustavě žádné analogy a byly považovány za téměř nemožné. Moderní pozemní dalekohledy zachycují světlo přímo z exoplanet, namísto nepřímé detekce jejich přítomnosti, jak to dělá Kepler, a tato data jsou také neobvyklá. Byly objeveny obří planety s hmotou několikrát hmotou Jupiteru, vzdálenost od níž k mateřským hvězdám je dvojnásobná vzdálenost od Neptunu ke Slunci - to znamená, že jsou v jiné oblasti,kde teoretici považovali zrození velkých planet za nemožné.
"Od začátku bylo zřejmé, že pozorování nebyla příliš teoretická," říká Bruce McIntosh, fyzik na Stanfordské univerzitě v Palo Alto v Kalifornii. "Nikdy nebyl okamžik, kdy teorie potvrdila pozorování."
Teoretici se snaží vytvořit scénáře pro „rostoucí“planety na místech, která byla kdysi považována za zakázaná. Předvídají, že se planety mohou tvořit v mnohem mobilnějším a chaotičtějším prostředí, než si kdy představovali, s rodícími se planetami, které se pohybují od kruhových drah blízko hvězdy k protáhlejším a vzdálenějším. Ale stále se rozvíjející zoo exotických planet, které vědci pozorují, znamená, že každý nový model je předběžný. "Každý den můžete objevovat něco nového," říká astrofyzik Thomas Henning z Astronomického ústavu. Max Planck v Heidelbergu, Německo. "Je to jako objevovat nová pole během zlaté horečky."
Tradiční model formování hvězd a jejich planet pochází z 18. století, kdy vědci navrhovali, aby se pomalu rotující oblak prachu a plynu mohl zhroutit pod vlastní gravitací. Většina materiálu tvoří kouli, která se stahuje, zahřívá a stává se hvězdou, když je její centrum dostatečně husté a horké, aby zahájilo termonukleární reakce. Gravitace a moment hybnosti shromažďují zbývající materiál kolem protostar do plochého disku plynu a prachu. Při pohybu po tomto disku se částice materiálu sbírají a „se drží“elektromagnetickými silami. Během několika milionů let částice rostou na zrna, oblázky, balvany a nakonec kilometrové planetesimály.
V tuto chvíli přebírá gravitace, dochází ke srážkám planetesimálů a prostor je zcela očištěn od prachu, v důsledku čehož se vytvoří několik plnohodnotných planet. Než se to stane ve vnitřní části disku, většina plynu z něj je buď pohlcena hvězdou, nebo je odfouknuta svým hvězdným větrem. Nedostatek plynu znamená, že vnitřní planety zůstávají převážně skalnaté, s tenkou atmosférou.
Tento růstový proces, známý jako přírůstek jádra, je rychlejší ve vnějších částech disku, kde jsou teploty dostatečně nízké, aby zmrzla voda. Led v tomto případě doplňuje prach, což umožňuje protoplanetům rychlejší konsolidaci. Výsledkem je pevné jádro pět až desetkrát těžší než Země - dostatečně rychlé, aby vnější oblast protoplanetárního disku zůstala bohatá na plyn. Pod vlivem gravitace jádro „přitáhne“plyn z disku a vytvoří plynový gigant jako je Jupiter. Mimochodem, jedním z cílů kosmické lodi Juno, která letěla do Jupiteru počátkem tohoto měsíce, je zjistit, zda má planeta skutečně obrovské jádro.
Propagační video:
Tento scénář vytváří planetární systém podobný našemu: malé skalnaté planety s tenkou atmosférou jsou blízko hvězdy; těsně před sněhovou čarou je plynový gigant jako Jupiter (kde je teplota dostatečně nízká na to, aby voda zmrzla), a další giganti se postupně objevují na větší vzdálenosti a ukázalo se, že jsou menší, protože se pohybují pomaleji na svých drahách a potřebují více čas sbírat protoplanetární diskový materiál. Všechny planety zůstávají přibližně tam, kde se vytvořily, a pohybují se po kruhových drahách ve stejné rovině. Pěkné a elegantní.
Objev horkých Jupiterů však naznačoval, že něco bylo v zásadě v rozporu s teorií. Planeta s oběžnou dráhou, která trvá jen několik dní, je velmi blízká hvězdě, která omezuje množství materiálu, které může tvořit. Zdálo se nepochopitelné, že se na takovém místě může tvořit plynový gigant. A nevyhnutelným závěrem je, že taková planeta by se měla formovat podstatně dále od své hvězdy.
Teoretici přišli se dvěma možnými mechanismy pro zamíchání planetární paluby. První, známý jako migrace, vyžaduje, aby po vytvoření obří planety zůstalo na disku hodně materiálu. Gravitace planety deformuje disk a vytváří oblasti s vyšší hustotou, které zase působí gravitační účinek na planetu a způsobují, že se postupně posunuje dovnitř směrem ke hvězdě.
Pro tuto myšlenku existují podpůrné důkazy. Sousední planety se často nacházejí ve stabilním gravitačním „svazku“známém jako orbitální rezonance - to znamená, že délky jejich orbit jsou spojeny jako malá celá čísla. Například, když se Pluto otočí kolem Slunce dvakrát, Neptun má čas otočit se přesně třikrát. Je velmi nepravděpodobné, že k tomu došlo náhodou, takže se s největší pravděpodobností stalo během migrace, čímž planetám poskytla další gravitační stabilitu. Migrace na začátku historie naší sluneční soustavy mohla vysvětlit další zvláštnosti, včetně malé velikosti Marsu a asteroidního pásu. Aby je vysvětlili, teoretici přišli s hypotézou „velké vychýlení“, ve které se Jupiter zpočátku formoval blíže ke Slunci, poté se posunul dovnitř téměř k oběžné dráze Země, sbíral materiál a tím „zbavil“Marsu.a po vytvoření Saturn, pod vlivem gravitace a tlaku plynu ve vnitřní oblasti disku, se vrátil zpět, po cestě "tlačení" zbytků prachu a planetesimálů do asteroidního pásu.
Někteří modeláři považují takové scénáře za zbytečně složité. "Opravdu věřím v Occam's Razor ('Co se dá dělat s menším [předpoklady] by se nemělo dělat s víc,' - cca. Transl.)," Říká Greg Laughlin, astronom na Kalifornské univerzitě v Santa Cruz). Laughlin tvrdí, že planety se s největší pravděpodobností utvořily na stejném místě, kde je nyní vidíme. Říká, že velké planety by se mohly tvořit poblíž jejich hvězdy, kdyby protoplanetární disky obsahovaly mnohem více materiálu, než se dříve myslelo. Může dojít k určitému planetárnímu pohybu - natolik, aby bylo možné vysvětlit například rezonance, ale „je to poslední vyladění, ne hlavní potrubí,“říká Laughlin.
Ale jiní teoretici říkají, že prostě nemůže být dost materiálu k vytvoření planet tak blízko hvězd, jako je 51 Pegasus ba další, které jsou ještě blíž. "Nemohli se vytvořit na svém místě," říká fyzik Joshua Wynn z Massachusetts Institute of Technology. A značná část exoplanet, které jsou v podlouhlých, nakloněných nebo dokonce obrácených orbitách, také naznačuje, že se jedná o jakýkoli druh planetárního systému.
Aby vysvětlili tyto zvláštnosti, teoretici citují „zbraň na blízko“- gravitaci, nikoli sedativní migraci. Protoplanetární disk bohatý na materiál by mohl vytvořit mnoho planet blízko sebe, kde by vliv gravitace mohl oběžné dráhy některých z nich přiblížit ke hvězdě, naklonit se a dokonce úplně vyhodit planetu ze systému. Dalším potenciálním torpédoborcem je doprovodná hvězda na podlouhlé oběžné dráze. Většinu času je příliš daleko na to, aby mělo významný dopad na planetární systém, ale v jeho blízkosti by to mohlo výrazně „zamíchat“oběžné dráhy planet. Nebo, pokud je mateřská hvězda členem blízce spletené hvězdokupy, může se sousední hvězda přiblížit natolik, aby zamíchala své oběžné dráhy nebo dokonce „uchopila“jednu nebo více planet pro sebe."Existuje mnoho způsobů, jak rozbít planetární systém," říká Wynn.
Neočekávaný závěr byl učiněn vědci, kteří studovali planety nalezené Keplerem - ukázalo se, že 60% superhvězd obíhajících slunečních hvězd se výrazně liší od toho, co pozorujeme ve sluneční soustavě, a vyžaduje přehodnocení existujících teorií. Většina super-zemí, které jsou většinou pevné s malými objemy plynu, sledují orbity blíže ke hvězdám než Země a často hvězdy mají více než jednu takovou planetu. Například systém Kepler-80 má čtyři super uzemnění, všechny s oběžnými dráhami 9 dní nebo méně. Konvenční teorie tvrdí, že narůstání uvnitř sněhové linie je příliš pomalé na to, aby vytvořilo cokoli tak velkého. Ale super-Země se zřídkakdy vyskytují v rezonančních oběžných drahách, což naznačuje, že nemigrovaly, ale okamžitě se vytvořily tam, kde je najdeme.
Vědci přicházejí s novými způsoby, jak tento problém vyřešit. Jednou z myšlenek je urychlení akrece pomocí procesu známého jako oblázková akrece. Disk bohatý na plyn má velký vliv na oblázkové objekty. To je obvykle zpomaluje a nutí je přiblížit se ke hvězdě. Ale čím blíže jsou ke hvězdě, tím vyšší je hustota a v důsledku toho se rychlost formování planetesimálů zvyšuje s klesající vzdáleností ke hvězdě. Ale zrychlené narůstání a disk bohatý na plyn vyvolávají vlastní problém: v tomto případě by super-Země měly získat silnou atmosféru, když překročí určitou velikost. "Jak jim můžete zabránit, aby se stali plynovými obry?" ptá se astrofyzika Romana Rafikova z Institutu pro pokročilé studium v Princetonu v New Jersey.
Eugene Chang, astronom na Kalifornské univerzitě v Berkeley, říká, že není nutné urychlovat narůstání, pokud je disk nasycený a bohatý na plyn. Vnitřní disk desetkrát hustší než ten, který tvořil sluneční soustavu, by mohl snadno vytvořit jednu nebo více super-zemí, které se objeví v posledních dnech protoplanetárního disku, když se většina plynu již rozptýlila, řekl.
Tento návrh podporují některá předběžná pozorování z velkého dalekohledu ALMA o mm / submilimetru v severním Chile. ALMA dokáže vizualizovat rádiové emise prachu a štěrku v protoplanetárních discích a několik disků, které dosud prozkoumal, se jeví jako relativně masivní. Tato pozorování však ještě nejsou konečnou pravdou, protože ALMA ještě není plně funkční a lze ji použít pouze k pozorování vnějších částí disků a nikoli regionů, ve kterých jsou umístěny super-země. "Budeme mít možnost vidět vnitřní prostory, když ALMA může použít všech 66 antén," říká Chang.
Chang má také vysvětlení pro Keplerův další objev: superpuffy, vzácný a stejně problematický typ planet, které jsou lehčí než super-Země, ale zdají se obrovské kvůli jejich svěží atmosféře, která tvoří 20% jejich hmotnosti. Předpokládá se, že takové planety vznikají na disku bohatém na plyn. Ale na vnitřním disku takový objem horkého plynu nemůže být držen silami slabé gravitace protoplanetu, takže studený a hustý plyn vnějšího disku je pravděpodobnější místo pro vznik takových planet. Chang přisuzuje své blízké oběžné dráze migraci, což je tvrzení podporované skutečností, že superpuffy jsou často nalezeny uvězněné v rezonančních drahách.
Až dosud se většina pozornosti v exoplanetovém výzkumu soustředila na vnitřní části planetárních systémů až do vzdálenosti ekvivalentní oběžné dráze Jupiteru, a to z jednoduchého důvodu, že všechny existující metody detekce exoplanet neumožňují nalézt je ve větší vzdálenosti od hvězdy. Dvě hlavní metody - měření vibrací hvězd způsobených gravitačním vlivem planet a měření periodického ztmavení disku hvězdy, když jimi procházejí planety - vám umožní najít velké planety na blízkých drahách. Zachytávání obrazů samotných planet je velmi obtížné, protože jejich slabé světlo je téměř utopeno světlem z jejich hvězd, což může být miliardkrát jasnější.
Ale díky využití největšího z největších dalekohledů na světě mohli astronomové vidět několik planet. Spektropolarimetrický systém s vysokým kontrastem (SPHERE) a Twin Planet Imager (GPI), přidané do velkých dalekohledů v Chile, jsou vybaveny komplexními maskami zvanými koronografy, které blokují hvězdné světlo. Není proto překvapivé, že planety daleko od jejich hvězd jsou pro ně nejjednodušší cíle.
Jedním z prvních a nejvýraznějších planetárních systémů detekovaných přímým zobrazováním je ten kolem HR 8799, kde jsou čtyři planety umístěny od hvězdy ve vzdálenosti od orbity Saturn na více než dvojnásobnou oběžnou dráhu Neptunu. Nejúžasnější věc je, že všechny čtyři planety jsou obrovské, více než pětinásobek hmotnosti Jupiteru. Podle teorie se planety v takových vzdálených drahách pohybují tak pomalu, že by měly růst rychlostí hlemýždě a hromadit hmoty, což je podstatně méně než Jupiter v době, kdy plynový a prachový disk zmizí. A přesto jejich „dobré“kruhové oběžné dráhy naznačují, že se na nich okamžitě vytvořily a nepřistěhovaly k nim z oblastí blíže hvězdám.
Takoví vzdálení obři podporují nejradikálnější teorii, ve které se některé planety netvoří narůstáním, ale prostřednictvím tzv. Gravitační nestability. Tento proces vyžaduje protoplanetární disk bohatý na plyn, který se podle vlastní gravitace roztříští do „shluků“. Tyto akumulace plynu se nakonec spojí a zhroutí do plynových planet, aniž by vytvořily pevné jádro. Modely předpokládají, že mechanismus bude fungovat pouze za určitých okolností: plyn musí být studený, nesmí se otáčet příliš rychle a stlačený plyn musí být schopen účinně odvádět teplo. Mohla by tato teorie vysvětlit planety kolem HR 8799? Rafikov říká, že pouze dvě vnější planety jsou dost daleko a chladné. "Je to stále docela kryptický systém," říká.
V minulosti radioteleskopická pozorování protoplanetárních disků poskytovala určitou podporu teorii gravitační nestability. Dalekohledy, citlivé na studený plyn, shledaly disky „potřísněné“nahromaděním plynu. Nejnovější obrázky od společnosti ALMA však vykreslují jiný obrázek. ALMA je citlivá na kratších vlnových délkách, ve kterých se prachová zrna emitují ve střední rovině disku, a její snímky hvězdy HL Tauri v roce 2014 a TW Hydrae v tomto roce ukázaly hladké symetrické disky s tmavými kruhovými "mezerami" sahajícími daleko za na oběžné dráze Neptunu (viz obrázek níže). "Bylo to úžasné překvapení." Disk nebyl chaotický, měl příjemnou, pravidelnou a krásnou strukturu, “říká Rafikov. Tyto mezery, naznačující planety, které je vytvořily,jasně mluví ve prospěch modelu narůstání, což je rána pro zastánce modelu gravitační nestability.
Je příliš brzy na to, abychom řekli, jaká další překvapení budou mít GPI a SPHERE. Ale region mezi vzdálenými oblastmi planetárních systémů a okolním prostředím hvězd s horkými Jupitery a super-Zeměmi je tvrdohlavě mimo dosah: příliš blízko hvězdy pro přímou vizualizaci a příliš daleko pro nepřímé metody založené na kmitání nebo ztmavnutí mateřské hvězdy. V důsledku toho je pro teoretiky obtížné získat úplný obrázek o tom, jak vypadají exoplanetární systémy. "Vycházíme z neúplných a neúplných pozorování," říká Laughlin. "Právě teď jsou všechny předpoklady pravděpodobně špatné."
Astronomové nebudou muset dlouho čekat na nová data. NASA uvede na trh příští rok Exoplanet Imaging Satellite (TESS), kdy se také očekává, že Evropská kosmická agentura (ESA) vypustí Exoplanet Characterization Satellite (CHEOPS). Na rozdíl od Keplera, který prozkoumal celou řadu hvězd jednoduše za účelem identifikace exoplanet, se TESS a CHEOPS zaměří na hvězdy poblíž Slunce, což umožní vědcům studovat migrační terra incognita (neznámé země - přibližně Transl.). A protože jsou cílové hvězdy v blízkosti sluneční soustavy, pozemní dalekohledy by měly být schopny odhadnout množství objevených planet, což vědcům umožní vypočítat jejich hustoty a vědět, zda jsou pevné nebo plynné.
James Webb Telescope, který bude spuštěn letos, bude moci jít ještě dále analyzováním světla z hvězdy, která prochází atmosférou exoplanety, aby určila její složení. „Složení je důležitým klíčem k formování,“říká Macintosh. Například hledání těžkých prvků v atmosféře nad zemí může naznačovat, že disk, který je bohatý na takové prvky, je vyžadován pro rychlou tvorbu planetárních jader. A v příštím desetiletí se kosmická loď jako TESS a CHEOPS připojí k honbě za exoplanetami, spolu s novou generací obrovských pozemních dalekohledů se zrcadly 30 a více metrů.
Pokud staré teorie až do poslední pomohly modelářům zůstat na nohou, pak pod tlakem nových objevů se tato nadace začne hroutit a vědci se budou muset potit, aby zůstali na nohou. "Příroda je chytřejší než naše teorie," říká Rafikov.
EGOR MOROZOV