McGill Egyetem
A csillagászok azt találták, hogy a forró Jupiter CoRoT-2b-n a szél „rossz” irányba fúj, ezért a bolygó legforróbb pontja nem ott van, ahol az elméletek jósolják – áll a cikkben. Természet.
A Jupiterrel ellentétben, amely 5 csillagászati egységnyire van a Naptól (azaz ötször távolabb, mint a Föld), a forró Jupiter olyan bolygótípus, amely 0,05 csillagászati egységnyire van a csillagtól. Egy ilyen bolygó kevesebb mint három nap alatt tesz meg egy fordulatot a főcsillag körül. Az anyacsillaghoz való közelségük miatt ezek a gázóriások apályszerűen befogják, és mindig az egyik oldalon fordulnak felé, ennek eredményeként a bolygó nappali oldala érezhetően melegebb, mint az éjszakai oldal.
Elméletileg a forró Jupiter legforróbb pontjának kellene a legközelebb lennie a csillaghoz, de a valóságban ez a zóna általában keletre tolódik el: a csillagászok a megfigyelt jellemzőt az egyenlítői szelek mozgásával magyarázzák. A modern modellek azt mondják, hogy a szélnek be kell fújnia keletre tartó, aminek következtében a gázóriás legforróbb pontja is kelet felé költözik. A CoRoT-2b bolygó esetében azonban minden másképp alakult. Miközben a Spitzer Űrteleszkóppal tanulmányozta az égitestet, a McGill Egyetem kutatócsoportja észrevette, hogy a bolygó legmelegebb pontja nyugat felé tolódik el.
A CoRoT-2b exobolygót körülbelül 10 évvel ezelőtt fedezték fel. A Földtől 930 fényévre, a Kígyók csillagképben található. Sugár égitest körülbelül 1,43-szorosa a Jupiter sugarának, tömege pedig 3,3-szorosa. Ahogy a csillagászok megjegyzik, a CoRoT-2 rendszer egyszerre több okból is érdekes: egyrészt főcsillaga, egy sárga törpe nagyon aktív, másrészt van egy gravitációsan kötött kísérője, a 2MASS J19270636+0122577 csillag, harmadszor pedig , a CoRoT-2b exobolygó nagyon dagadt és szokatlan emissziós spektrummal rendelkezik.
Felületi fényerő CoRoT-2b
Lisa Dang és munkatársai / Természet, 2018
A CoRoT-2b effektív felületi hőmérséklete közel áll a HD 209458b-éhoz, amely egy másik rendszerből származó tipikus forró Jupiter. Ennek ellenére a HD 209458b legmelegebb tartománya keletre, míg a CoRoT-2b legmelegebb tartománya 23 ± 4 fokkal nyugatra tolódott. A munka szerzői szerint az anomáliának három magyarázata lehet. Egyrészt az exobolygó lassabban tud forogni a tengelye körül, mint a csillag körül - a szimulációk azt mutatják, hogy ebben az esetben az egyenlítői szelek ellenkező irányú nyugat felé fújnak. Másrészt a CoRoT-2b légköre kölcsönhatásba léphet vele mágneses mező ami befolyásolja a szelek mozgását. Emellett a bolygó keleti oldalát borító sűrű felhők miatt a bolygó "sötétebbnek" tűnhet, mint amilyen (infravörösen) – de ez a magyarázat nem teljesen egyezik a forró Jupiterek jelenlegi légköri keringési mintázatával.
Több adatra van szükség a legpontosabb CoRoT-2b modell elkészítéséhez. Segítenek feltárni a forró Jupiter légkörének jellemzőit. A jövőben a csillagászok megfigyeléseket terveznek az űrteleszkóppal, amely a tervek szerint 2019 tavaszán indul.
Érdekes módon a forró Jupitereken lévő felhők vizet is rejthetnek a légkörükben, és ez az akadály jellemző az exobolygók ezen osztályára.
Kristina Ulasovich
Kezdetben a feljegyzés azt írta, hogy a James Webb távcső felbocsátását 2018-ra tervezték, de ez elavult adat. 2017 szeptemberében a NASA bejelentette, hogy az indítást 2019 tavaszára halasztják. A szerkesztőség elnézést kér az olvasóktól.
Amikor a csillagászok körülbelül két évtizeddel ezelőtt felfedezték az első exobolygót egy napszerű csillag körül, kezdeti örömük gyorsan zavarba fordult. Az 51-es Pegasus b (Bellerophon) bolygó másfélszer nagyobb tömegű volt, mint a Jupiter, és 4 napos pályája hihetetlenül közel volt a csillaghoz. A bolygóképződést kutató teoretikusok nem tudták megmagyarázni, hogyan keringhet ilyen közel egy ekkora test. Talán kilógott az általános mintából? De nem, most már sokat tudunk.
A távoli világok utáni további kutatások további meglepetésekkel szolgáltak a tudósok számára: hosszúkás és erősen ferde pályával rendelkező bolygók, sőt olyan bolygók is, amelyek az anyacsillagjuk forgásával ellentétes irányba mozognak.
Az exobolygó művészi ábrázolása 51 Pegasus b. Hitel: ESO/M. Kornmesser/Nick Risinger
Az exobolygók utáni vadászat 2009-ben lendült fel a NASA Kepler Űrteleszkópjának felbocsátásával, amely több mint 2500 világot fedezett fel. Kepler megállapította, hogy a leggyakoribb bolygótípusok az úgynevezett "szuperföldek" (valahol a Föld és a Neptunusz mérete között). Naprendszerünkben ilyenek nincsenek.
Jelenleg a földi teleszkópok közvetlenül az exovilágokból gyűjtik a fényt, ahelyett, hogy közvetetten észlelnék őket, ahogy azt Kepler tette, és ezek is megzavarják a csillagászokat. A távcsövek a Jupiter tömegénél többszörös tömegű óriásbolygókat fedeznek fel, kétszer olyan távolabb csillaguktól, mint a Neptunusz a Naptól, ahol a teoretikusok úgy gondolták, hogy egyszerűen nem tudnak kialakulni. Eddig még egyetlen megrendelt darabot sem találtak, mint a miénk. csillagrendszer, és a teoretikusok folyamatosan próbálnak olyan forgatókönyveket kidolgozni, amelyek megmagyarázzák a korábban "tiltott" bolygók megjelenését "lehetetlen" pályájukon.
„Ezek nyilvánvaló dolgok, amelyek az első naptól kezdve nem férnek bele a modelljeinkbe. Soha nem volt olyan elmélet, amely utolérte volna a megfigyelést” – mondta Bruce McIntosh, a Stanford Egyetem (USA) fizikusa.
A csillagok és bolygóik kialakulásának hagyományos modellje a 18. századra nyúlik vissza, amikor a tudósok felvetették, hogy egy lassan forgó gáz- és porfelhő összeomolhat saját gravitációja hatására. Az anyag nagy része golyót alkot, amely meggyújtja a csillagot, amikor a magja elég sűrűvé és felforrósodik. A maradék anyagot pedig egy lapos korongba gyűjtik. A vas mikroszkopikus zárványaiból és más kemény részecskékből álló por a kulcs ahhoz, hogy ez a korong bolygókká alakuljon. Mivel az azt elnyelő korongban kering, a részecskék néha ütköznek és összetapadnak elektromágneses erők. Több millió év alatt a por szemcsékké, sziklákká, és végül kilométer hosszú planetezimálokká gyűlik össze.
Protoplanetáris korong művészi ábrázolása. Hitel: ESO/M. Kornmesser
Ezen a ponton a gravitáció veszi át az uralmat, port és gázt vonzva a csírákhoz, amelyek bolygó méretűre nőnek. Addigra a korong belső részében lévő gáz nagy részét vagy a bolygók eltávolították, a csillag felfalta, vagy a csillagszél elfújta. A gáz hiánya azt jelenti, hogy a belső bolygók többnyire sziklás, vékony légkörűek maradnak.
Ez a növekedési folyamat, az úgynevezett akkréció, gyorsabban megy végbe a korong külső részén, ahol elegendő vízjég van. Az ezen túlmutató jég lehetővé teszi a protobolygók gyorsabb konszolidációját. Sikerül szilárd magokat felépíteni (akár 10-szer nagyobb tömegű, mint a Föld), mielőtt a lemez elveszítené a gázát. Ez lehetővé teszi sűrű légkörű bolygók kialakulását, mint például a Jupiter (keressen egy szilárd magot a közelében nagy bolygó A naprendszer az űrhajó egyik feladata lesz).
Ez a forgatókönyv természetesen a miénkhez hasonló bolygórendszerek evolúcióját írja le: kicsi, sziklás bolygók vékony légkörrel a csillag közelében, és gázóriások az örök hó határain túl. Ráadásul az óriások a csillagtól távolodva egyre kisebbek, mivel pályájukon való lassú forgásuk lassítja az anyaggyűjtést. Minden bolygó megközelítőleg ott marad, ahol létrejött, körpályán ugyanabban a síkban. Szép és ügyes.
De a "forró Jupiterek" felfedezése megmutatta, hogy valami nincs rendben ezzel az elmélettel. Hihetetlennek tűnt, hogy ilyen közel formáljunk egy csillaghoz. Az elkerülhetetlen következtetés az, hogy tovább alakultak, majd elvándoroltak.
Itt a teoretikusok két lehetséges mechanizmust találtak ki a bolygók keveredésére. Az elsőhöz hatalmas mennyiségű anyag jelenléte szükséges a korongban, miután az óriásbolygó kialakult. A gravitáció eltorzítja a korongot, megnövekedett sűrűségű zónákat hozva létre, amelyek viszont gravitációs hatást fejtenek ki a bolygón, fokozatosan a csillag felé húzva azt.
Néhány megfigyelés alátámasztja ezt az elképzelést. A szomszédos bolygókon gyakran van egy gravitációs kapcsolat, amelyet orbitális rezonancia néven ismernek. Ez akkor fordul elő, ha a pályájuk hossza kicsiként kapcsolódik egymáshoz természetes szám. A Plútó például a Neptunusz minden harmadik fordulatában kétszer kerüli meg a Napot. Nem valószínű, hogy ez véletlen, és lehet, hogy egyszer sodródtak az extra stabilitásban. Migráció ide korai történelem Naprendszerünk más furcsaságokat is megmagyarázhat, beleértve a Mars kis méretét és az aszteroidaövet. Ennek alapján a teoretikusok azt sugallták, hogy a Jupiter kezdetben a Naphoz közelebb alakult ki, majd befelé ment majdnem a Föld pályájára, és visszarepült a jelenlegi helyére.
A forró Jupiterek vándorolnak? Köszönetnyilvánítás: NASA/JPL-Caltech
Vannak tudósok, akik túl bonyolultnak és irreálisnak tartják a migrációs forgatókönyvet. „Hiszek Occam borotvájában” – mondta Greg Laughlin, a Kaliforniai Egyetem (USA) csillagásza. Biztos abban, hogy a bolygók nagyobb valószínűséggel vannak a helyükön, és nem rándulnak meg. „Talán protoplanetáris lemezek, amelyek rendelkeznek főbb bolygók a közeli pályák sokkal több anyagot tartalmaztak, mint gondoltuk. Természetesen előfordulhat némi mozgás, ami elegendő a rezonancia magyarázatához, de ezeket a finom beállításokat nem szabad bevezetni” – magyarázta Greg Laughlin.
Mások úgy vélik, hogy egyszerűen nem lehet elég anyag ahhoz, hogy olyan bolygókat alkossanak, mint az 51 Pegasus b. „Ott nem alakulhatnak ki. Ezenkívül a hosszúkás, ferde vagy akár fordított pályával rendelkező bolygók nagy száma bolygók keveredését vonja maga után” – mondta Joshua Wynn, a Massachusetts Institute of Technology (USA) munkatársa.
Egyes teoretikusok a gravitációs harchoz folyamodnak a hatalomtörvényes migráció helyett, hogy megmagyarázzák a megfigyeléseket. A masszív korongok sok közeli bolygót szülhetnek, és a közöttük lévő gravitációs tülekedés egy részüket a csillagra löki, másokat furcsa pályára, másokat pedig a rendszerből. Egy másik lehetséges bajkeverő egy csillag műholdja egy hosszúkás pályán. Legtöbbször túl messze van ahhoz, hogy hatást fejtsen ki, de amikor közel kerül, akkor feltűnhet. Vagy ha a szülőcsillag egy baráti csillaghalmaz tagja, egy szomszédos csillag túl közel kerülhet sétája során, és pusztítást végezhet. „Sokféleképpen lehet megtörni a rendszert” – mondta Joshua Wynn.
Kepler meglepő felfedezése az volt, hogy a napszerű csillagok 60%-a kering a pályáján. Ehhez teljesen új elméletek kellenek. A legtöbb szuperföldről azt gondolják, hogy többnyire szilárd kőzet és fém, némi gázzal és a csillagokhoz közel kering. Például a Kepler-80 rendszernek négy ilyen exobolygója van, amelyek keringési ideje legfeljebb 9 nap. A hagyományos elmélet azt mondja, hogy a korong belsejében a felhalmozódás túl lassú ahhoz, hogy ilyeneket hozzon létre nagy világok. Ráadásul szuperföldek ritkán találhatók rezonáns pályákon, ami nem támasztja alá a migrációs elméletet.
A tudósok kitalálták a módját, hogyan lehet kilábalni a helyzetből. Az egyik ötlet az akkréció felgyorsítása a köves akkréciónak nevezett folyamaton keresztül. A gázban gazdag tárcsa nagy ellenállást biztosít a kis kőtárgyakkal szemben, lelassítva azokat. Emiatt a csillag felé sodródnak. Ha elhaladnak a planetezimálok mellett, az alacsony sebesség lehetővé teszi, hogy elfogják őket. A gyors akkréció és a gázban gazdag korongok azonban új problémát okoznak: amint elérnek egy bizonyos méretet, a szuperföldeknek sűrű légkört kell maguk felé vonniuk. – Hogyan tartják meg magukat attól, hogy gázóriássá váljanak? – teszi fel a kérdést Roman Rafikov, a Princeton Institute for Advanced Study (USA) asztrofizikusa.
A bolygók képződésének művészi ábrázolása a kavicsos akkréció során. Köszönetnyilvánítás: NASA/JPL-Caltech
„Nincs szükség gyorsított felgyorsulásra. Ha a belső régió 10-szer sűrűbb, mint a korong, amelyből született Naprendszer, akkor könnyen kialakulhat benne egy vagy több szuperföld. És nem fognak túl sok gázt összegyűjteni, mivel az már eloszlik, mire végleg megalakulnak” – vágott vissza Eugene Chang, a Kaliforniai Egyetem (USA) csillagásza.
Changnak magyarázata van egy másik elképesztő felfedezésre is: a "felfújt" bolygókra. Ritka és ugyanolyan problémás világok, amelyek könnyebbek, mint a szuperföldek, de hatalmas, felduzzadt atmoszférájúak, amelyek tömegük 20%-át teszik ki. Az ilyen exobolygók a teoretikusok szerint egy gázban gazdag korongban jönnek létre. A belső részében azonban a meleg gáz megküzd majd a bolygó gyenge gravitációjával, így a külső korong hideg és sűrű gáza valószínűbb jelölt a héjukra. Ebben az esetben Eugene Chang a migrációhoz folyamodik, hogy megmagyarázza közelségüket a csillaghoz. Ráadásul ezt az a tény is megerősíti, hogy a "dagadt" egyedek gyakran a pályarezonancia csapdájába esnek.
Az exobolygó-kutatások középpontjában eddig a protoplanetáris korongok belső régiói álltak, nagyjából a Jupiter pályájával egyenértékű távolságon belül. Ez annak köszönhető, hogy minden létező módszerrel láthatóak. A csillagokhoz közeli világok két fő közvetett módon találhatók meg: a fényesség változása és a csillagok ingadozása. Ám egy közeli exobolygó közvetlen vizualizálása rendkívül nehéz, mivel beárnyékolja egy gazdacsillag, amely akár milliárdszor is fényesebb lehet, mint a cél.
A világ legnagyobb teleszkópjainak határait feszegetve azonban a csillagászok több bolygót is láthattak közvetlenül. És egy párnak utóbbi években két új, kifejezetten távoli világok képalkotására tervezett eszköz csatlakozott a vadászathoz. Az európai "Spectro-Polarimetric High-Contrast Exoplanet Research" (SPHERE) és az amerikai "Gemini Planet Imager" (GMI) Chilében található nagy teleszkópokra telepítve vannak, és kifinomult maszkokat (koronagráfokat) használnak, amelyek blokkolják a csillag fényét.
A művész alkotása a HR 8799 bolygórendszerről. Köszönetnyilvánítás: NASA, ESA
Az egyik legkorábbi és legszembetűnőbb rendszer, amelyet közvetlen képalkotással találtak, a HR 8799. Négy hatalmas bolygó, több mint ötszöröse a Jupiter tömegének, keringenek a csillagtól „lehetetlen” távolságra (a Szaturnusz pályájáról a kétszer akkora pályára). Neptunusz pályája). Az elmélet szerint az ilyen távoli exvilágok nagyon lassan mozognak, és nem tudnak nagyobb tömeget felhalmozni, mint a Jupiter, mielőtt a korong szétoszlik. Az exobolygók jó körpályája azonban arra utal, hogy nem a rendszer közeli régióiból lökték ki őket.
Az ilyen távoli óriások támogatták a legradikálisabb elméletet, megkérdőjelezve a szabványt. Szerinte egyes bolygók nem akkréció, hanem a gravitációs instabilitásnak nevezett folyamat következtében jönnek létre. Ehhez a folyamathoz gázban gazdag protoplanetáris korongra van szükség, amely saját gravitációja hatására csomókra bomlik. Idővel ezek a csomók közvetlenül óriásbolygókká alakulnak, amelyekből eleve nincs szilárd mag. A modell feltételezi, hogy a mechanizmus csak bizonyos feltételek mellett működik: a gáznak hidegnek kell lennie, nem foroghat túl gyorsan, és hatékonyan kell hőt veszítenie. „Megmagyarázhatja ez a HR 8799 bolygókat? Igen, de csak két távoli hideg” – mondta Roman Rafikov.
A múltban a protoplanetáris korongok rádióteleszkópos megfigyelései némileg alátámasztották a gravitációs instabilitást. A hideg gázokra érzékeny rádióteleszkópok kusza, aszimmetrikus csomókat láttak a korongokban. Az Atacama Large Millimeter Array (ALMA) rádióteleszkóp legutóbbi képei azonban más képet festenek. Az ALMA érzékeny a lemez síkjában lévő porrészecskékből származó rövidebb hullámhosszokra. A HL Taurus 2014-es és a 2015-ös TW Hydra csillagokról készült képei sima, szimmetrikus korongokat mutattak sötét, körkörös "résekkel", amelyek messze túlnyúlnak a Neptunusz pályáján. „Óriási meglepetésként ért. A lemezeken nem volt rendetlenség, szép, szabályos, szép szerkezetűek. Ez csapás a gravitációs instabilitás hívei számára. A természet okosabb, mint az elméleteink” – magyarázta Roman Rafikov.
ALMA kép a korongról a fiatal sztár, TW Hydra körül. Köszönetnyilvánítás: S. Andrews (Harvard-Smithsonian CfA); B. Saxton (NRAO/AUI/NSF); ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)
Még túl korai megmondani, hogy a SPHERE és a GMI milyen meglepetéseket hoz majd a bolygórendszerek külső vidékéről. De az e külső régiók és a "forró Jupiterek" és a szuperföldek közeli pályái közötti régiók makacsul elérhetetlenek maradnak: túl közel vannak a csillaghoz a közvetlen képalkotáshoz, és túl távol a közvetett módszerekhez. Ennek eredményeként a teoretikusok továbbra is nehezen tudják a teljes képet alkotni. „Töredékekre és hiányos megfigyelésekre hagyatkozunk. Jelenleg valószínűleg minden rossz” – mondta Greg Laughlin.
A csillagászoknak azonban nem kell sokáig várniuk. Jövőre a NASA elindítja a Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) és az Európai Űrügynökség (ESA) a Characterizing Exoplanets Satellite (CHEOPS) nevű műholdat. A Kepler-missziótól eltérően, amely nagyszámú csillagot vizsgált meg népszámlálás közben, a TESS és a CHEOPS a fényes, közeli, napszerű csillagokra összpontosít, így a kutatók "átlagos" pályákat tanulmányozhatnak. És mivel a célpontok közel lesznek a Földhöz, a földi teleszkópoknak meg kell tudniuk becsülni tömegüket, amellyel a tudósok kiszámíthatják a sűrűséget, és jelezhetik, hogy sziklás vagy gáz halmazállapotúak.
A NASA James Webb űrteleszkópja, amely 2018-ban indul, még ennél is tovább megy. Elemezni fogja az exobolygó légkörén áthaladó csillag fényét, hogy meghatározza összetételét. „Ez egy fontos kulcs a bolygó kialakulásához. Például, hogy több legyen nehéz elemek a szuper-földi légkörben azt sugallja, hogy a lemez gazdag ezekben az elemekben. szükséges a bolygómag gyors kialakulásához” – magyarázta Bruce McIntosh. A következő évtizedben olyan űrjárművek csatlakoznak a kereséshez, mint a NASA Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST) és az ESA Planetary Transit and Oscillations (PLATO), valamint a hatalmas földi teleszkópok új generációja 30 méteres (vagy annál nagyobb) távolsággal. ) tükrök.
Ezen az ábrán a WASP-121b exobolygó látható, egy ultraforró Jupiter, amely olyan közel van a csillagához, hogy még a vas is felforr napközben. Hitel és szerzői jog: Engine House VFX, At-Bristol Tudományos Központ, Exeteri Egyetem.
Az ultraforró Jupiterek az exobolygók egy új osztálya, amelyet a csillagászok egyre gyakrabban találnak az univerzum különböző részein. Ezek a hihetetlenül forró gázóriások sokkal közelebb vannak csillagaikhoz, mint a Merkúr a Naphoz, ami mindig árapály-záródást eredményez, ami azt jelenti, hogy a bolygó mindig a csillag ugyanazzal az oldalával néz. Emiatt ott a nappali hőmérséklet meghaladja az 1900 Celsius-fokot, míg az éjszakai oldalon 1000 Celsius-fok körül alakul a hőmérséklet. Ezenkívül az ultraforró Jupiterek olyan egyedi légköri jellemzőkkel rendelkeznek, amelyek más bolygókon nem, például molekulák hiánya.
E különös, pokoli világok érdekes természete ellenére a tudósok még mindig keveset tudnak róluk. Egy új tanulmányt azonban elfogadtak a folyóiratban való közzétételre Csillagászat és asztrofizika megváltoztathatja ezt az állapotot.
Ebben a tanulmányban egy nemzetközi tudóscsoport négy ismert ultraforró Jupiter légkörét szimulálta, amelyeket korábban a Hubble és Spitzer űrteleszkópokkal tártak fel. Az adatok alapján a csapat arra a következtetésre jutott, hogy az ultraforró Jupiterek még szokatlanabbak, mint azt eredetileg gondolták.
A csapat különösen azt találta, hogy ezek az exobolygók olyan forróak a nap folyamán, hogy a hő a legtöbb molekulatípust részekre bonthatja. És mivel ezek a molekulák megsemmisülnek, még a legfejlettebb obszervatóriumaink számára sem láthatók. Ez meglepő következtetésre vezette a kutatókat: az ultraforró Jupiter napoldali légköre jobban hasonlít egy csillagra, mint egy bolygóra.
Amellett, hogy önmagában érdekes, ez az eredmény azt is megmagyarázhatja, hogy a csillagászok miért csak vízmolekulákat találnak az ultraforró Jupiterek nappali és éjszakai oldalának szélén. A kutatócsoport megállapította, hogy a hidrogén- és oxigénatomok a bolygó hűvösebb éjszakai oldalára jutva újrakombinálódnak, ami viszont vízképződéshez vezet. Mivel azonban a bolygó éjszakai oldala túl sötét ahhoz, hogy közvetlenül lásson, a csillagászok csak a nappal és az éjszaka határán tudják észlelni ezeket a vízmolekulákat.
Ez az új tanulmány nemcsak az exobolygók egy kevéssé tanulmányozott osztályára világít rá, hanem értékes adatokkal is szolgál, amelyek segítenek a csillagászoknak jobban megérteni a rajtuk végbemenő fizikai folyamatokat.
