Kepler-36 pokazuje da su planetarni sustavi manje predvidljivi nego što smo mislili

Suradnja s Brandonom Weigelom

U prvim godinama egzoplanetologije astronomi su znali samo za jedan multi-planetni sustav: Sunčev sustav. Imali su, naravno, simulacije i modele, ali tijekom 1990-ih, teorija koja se krije iza tih modela temeljila se uglavnom na našem planetarnom sustavu. Čak i bez ikakvih drugih podataka, činilo se da je razumna pretpostavka da je većina ostalih egzoplanetarnih sustava strukturirana poput našeg: skup zemaljskih planeta koji orbitiraju blizu zvijezde domaćina, a ogromni planeti slični Jupiteru i Saturnu orbitiraju dalje.

Ta se paradigma počela raspadati sredinom 1990-ih, kada je otkriće vrućeg Jupitera 51 Pegasi b pretvorilo konvencionalnu mudrost u glavu. Ogromni plinski divovi jednostavno ne bi trebali orbitirati tako blizu zvijezdama svojih domaćina! Polako, ali sigurno, mnoge su se naše pretpostavke o strukturi planetarnih sustava pokazale potpuno pogrešnim, dok otkrivamo kontra primjere dugotrajnim idejama o formiranju planeta.

Zahvaljujući svemirskom teleskopu Kepler, znamo za višeplanetarne sustave poput Keplera-62, koji ima pet potvrđenih egzoplaneta. Čak ni ovaj sustav nije previše tajanstven - u usporedbi s drugima koje smo pronašli. Kreditna slika: NASA

Jedno od najnovijih iznenađenja orbitira nadmoćnom zvijezdom Kepler-36. To nije jedan planet, već dva - egzoplaneti nazvani Kepler-36b i Kepler-36c, s polu-glavnim osovinama od 0.115 AU i 0,128 AU. To znači da su dvije egzoplanete skupa izuzetno blizu. To samo po sebi nije previše neobično; ono što je bizarno je da bi dva planeta trebala biti prilično jednaka, dolaze iz istog područja protoplanetarnog diska - ali nisu. Jedan je gusti, zemaljski planet nalik Zemlji, dok je drugi mini-Neptun s plinovitom ovojnicom vodika i helija.

Pa kako se dvije potpuno različite egzoplanete formiraju na istom mjestu? To je dobro pitanje - a njegov se odgovor pokazao ključnim za naše razumijevanje zašto su egzoplanete tako zapanjujuće raznolike. S Brandonom Weigelom, ovaj tjedan istražujem zašto bi planetarni sustavi svemira mogli biti raznovrsniji nego što smo mislili.

Teško je pronaći multiplanetarni sustav!

Kepler je ispitao samo mali dio galaksije, ali je ipak otkrio tisuće egzoplaneta.

Tijekom svoje devetogodišnje misije, svemirski teleskop Kepler nadgledao je više od pola milijuna zvijezda u blizini Sunca. Kepler je koristio tranzitnu metodu za otkrivanje egzoplaneta. Izgledalo je male zaljepe u sjaju neke zvijezde. Ako su se ove uronje ponavljale redovito, to je snažan dokaz da su uzrokovane egzoplanetom u orbiti koji prolazi između Keplera i zvijezde. Često je češljanje podataka za kandidata za egzoplanetu jednostavno poput traženja snopova koji imaju jasna razdoblja; uočavate svaki skup praznina između tranzita.

Za zvijezde s više tranzita egzoplaneta, međutim, stvari postaju zamršene. Ovi sustavi obično proizvode zakrivljene svjetlosne krivulje koje se lako mogu zamijeniti s drugim pojavama, poput zvjezdanih lonaca - ili bi se tranziti mogli potpuno izostaviti. U slučaju Keplera-36, nastao je dodatni problem. Dva egzoplaneta su vrlo blizu jedna drugoj, pa stvaraju varijacije u tranzitnom vremenu ili TTV-ove - promjene u očekivanim vremenima tranzita uzrokovane međusobnim gravitacijskim povlačenjem.

Slika 1, Carter i sur. 2012. Krivulja sirove svjetlosti proizvedena teleskopom (gore) izgleda puno slučajnih namotaja, ali na djelu je nešto izrazito neslučajno: dva prolazna egzoplaneta, Kepler-36b (dolje lijevo) i Kepler-36c (dolje desno).

U početku je algoritam pretraživanja koji je koristio Kepler potpuno promašio Kepler-36b, što je uronilo samo oko 17% snažno od onih koje je izazvao Kepler-36c. Drugi algoritam, koji uzima u obzir potencijalne TTV-ove, konačno ga je uhvatio, otkrivajući mnogo bogatiji sustav nego što su prvobitno mislili astronomi (Carter i sur. 2012). U stvari, ti TTV-i, daleko od prijetnje, na kraju su bili riznica informacija. Tipično, tranziti usamljenog egzoplaneta daju samo procjenu njegovog radijusa, ali TTV-i su dozvolili timu da modelira gravitacijske sile između planeta za različite pokusne mase - i stoga dobiju njihove stvarne mase, što je zauzvrat omogućilo prolazak u egzoplanete 'skladbe.

Prvotna zapažanja otkrila su masu od 4,45 i 8,08 mase Zemlje za Kepler-36b, odnosno Kepler-36c, i odgovarajuće polumjere od 1,486 i 3,679 Zemljinih radijusa. Jednostavan izračun otkriva gustoću od 7,46 grama po kubnom centimetru - malo gušću od Zemlje - i 0,89 grama po kubnom centimetru, što je blizu Saturna. Posljedice su bile jasne: Kepler-36b je kamenit svijet s jezgrom bogatom željezom, dok je Kepler-36c bogat hlapljivim sastojcima i zadržava se u atmosferi sastavljenoj uglavnom od vodika i helija.

Slika 3, Carter i sur. 2012. Iscrtavanje podataka na grafikonu s polumjerom mase pokazuje da je Kepler-36b, pri dnu, stjenovit svijet, dok je Kepler-36c, pri vrhu, plinovit.

Ovo je bilo iznenađenje. Unatoč orbiti oko 0,01 AU jedan od drugoga, unutarnji svijet bio je gotovo devet puta gušći od vanjskog pratilaca. Tradicionalni modeli formiranja planetarnog sustava predviđaju da bi takva vrsta goleme razlike trebala biti nemoguća. Dvije egzoplanete bi trebale biti vrlo slične jedna drugoj. Ipak podaci su ispričali drugu priču.

Primordijalno rješenje za primordijalni problem

Zagonetka astronomi nije bila u potpunosti zamagljena. Carter i sur. ukratko su razmatrana dva moguća rješenja problema: migracija ili atmosferska erozija. Hipoteza o migraciji, prvobitno razvijena da objasni neočekivano postavljanje vrućih Jupitera, sugerira da se egzoplanete ugrađene u protoplanetarne diskove mogu dramatično premjestiti iz vanjskih područja u uske orbite oko zvijezde. To se može pokrenuti plimnim interakcijama s diskom ili uznemirenostima s drugim planetima. U ovom scenariju Kepler-36c bi ​​se stvorio daleko, gdje je skupljao isparljive sastojke i veliku omotnicu vodik / helij, prije nego što bi bio izbačen u tijesnu orbitu oko svoje zvijezde domaćina.

Lopez & Fortney 2013 bili su zainteresirani istražiti drugu mogućnost. Protoplaneti svih oblika i veličina mogu stvarati velike ovojnice vodika i helija tokom svojih ranih života, ali male planete male mase blizu zvijezda domaćina često gube ove atmosfere zadržavajući teške plinove poput kisika i dušika. Ekstremno ultraljubičasto (XUV) zračenje ionizira plin u gornjoj atmosferi i zagrijava ga; ovaj efekt - nazvan fotoevaporacija - izraženiji je na lakšim molekulama, poput vodika i helija, pa tijela koja doživljavaju visok XUV protok obično gube te plinove prilično brzo.

Slika 2, Lopez & Fortney 2013. Astronomi su pokrenuli 6000 simulacija za niz jezgara, tokova, sastava i toplinskih inercija u pokušaju da objasne sustav Kepler-36.

Kepler-36b i Kepler-36c su vrlo blizu, mada i ako se migracija ne dogodi, trebali su primiti istu količinu XUV fluksa. Što bi, dakle, moglo dovesti do gubitka većine atmosfere? Lopez i Fortney sugerirali su da je jedno jednostavno početno stanje moglo biti drugačije: masa jezgre. Moguće je da je Kepler-36b u početku startao kao nešto manje masivan protoplanet od svog susjeda, što znači da je imao odgovarajuće manju brzinu bijega, pa mu je bilo lakše izgubiti plin.

Teoretičari su odlučili to testirati. Oni su simulirali veliki skup egzoplaneta, obuhvaćajući širok raspon jezgara i sastava. Nakon simulacije gubitaka fotoevaporacije tijekom 7 milijardi godina - dobi sustava - otkrili su parametre koji reproduciraju izvedena svojstva egzoplaneta. Kepler-36b započeo je s jezgrom mase 4,55 Zemljine mase - otprilike jednaka sadašnjoj masi - i izgubio je dramatične količine vodika i helija tijekom prvih 100 milijuna godina. Nakon dvije milijarde godina, njegova omotnica vodik / helij potpuno je nestala.

Slika 1, Lopez & Fortney 2013. Kepler-36b i Kepler-36c, iako su započeli s istim sastavom, razvijali su se na potpuno različite načine u prvih stotinu milijuna godina od svog nastanka.

Kepler-36c, s druge strane, zadržao je značajnu količinu svoje ovojnice nakon što je započeo s jezgrom od 7,4 mase Zemlje. Također je izgubila masu zahvaljujući fotoeporaciji, ali puno sporije i ne tako dramatično. Time se završava kao objekt sličan Neptunu s atmosferom vodik / helij, mnogo drugačijim od svog susjeda. Čak i ako su dva planeta započela s istim sastavom - 22% vodika i helija - razlika u jezgrskoj masi bila je dovoljna da ih pošalje na dvije potpuno različite staze.

Što to znači za egzoplanetologiju?

Hipoteza o temeljnoj masi izuzetno je primamljiva. Ako je istina, to znači da slučajnost u protoplanetarnim diskovima može prirodno oblikovati sustave na mnogo različitih načina. To uklanja potrebu za migracijom - delikatan postupak - da bi se objasnila ovakva razlika u gustoći. Konačno, to bi trebalo biti moguće u bilo kojem protoplanetarnom sustavu - što je i sreća, budući da je isti kontrast gustoće uočen i kod drugih parova egzoplaneta (vidjeti Kipping i sur. 2014). Trenutačno je to možda predvodnik koji će objasniti sustav Kepler-36.

Bez obzira na mehanizam ovog čudnog para egzoplaneta, oni pokazuju da mogu postojati izuzetno raznoliki sustavi egzoplaneta. Ne želim reći da bilo koja kombinacija masa, sastava i orbita može postojati, ali ipak bismo trebali očekivati ​​da će otkriti egzotične sustave koji ne bi bili nepotrebni u, primjerice, Ratovima zvijezda. Ne bi dolazilo u obzir da vrsta koja živi u svijetu džungle skače na svemirski brod i putuje do obližnjeg malog plinskog velikana za nekoliko mjeseci.

I dalje me zanima o kakvim egzotičnim sustavima govorim? Brandon Weigel napisao je sjajan članak o egzoplanetima koje možete pronaći - okeanskim svjetovima, željeznim planetima i mnogim drugim. Provjerite!