Nowe spojrzenie na dane z przeszłości ujawnia, że egzoplanety o masie podobnej do Jowisza uformowały się znacznie wcześniej niż dotychczas sądzono.
Wyniki badań przeprowadzonych przez Ohio State University dostarczają nowych informacji na temat czasu akrecji – procesu gromadzenia dużej ilości gazu, a także cząstek stałych bogatych w węgiel i tlen, potrzebnego do stworzenia dużych planet, takich jak Jowisz.
Planety powstają z dysków protoplanetarnych, wirujących obłoków pyłu i gazu, które są idealnymi składnikami do formowania planet. Nowe badania sugerują, że akrecja ma miejsce wcześnie, gdy dyski są masywne i znacznie młodsze niż wcześniej sądzono.
Podczas gdy liczba nowo potwierdzonych egzoplanet stale rośnie, pochodzenie tych światów i czynniki, które wpływają na ich powstawanie, stanowią zagadkę, którą naukowcy wciąż starają się rozwiązać. Przykładowo, początkowo uważano, że egzoplanety podobne do Jowisza potrzebują od 3 do 5 milionów lat, aby w pełni się uformować; ostatnie obserwacje sugerują, że w przypadku gazowego olbrzyma, jakim jest Jowisz, proces ten może trwać od 1 do 2 milionów lat.
Odkrycie to podważa dotychczasowe teorie naukowców dotyczące tego, w jakim „wieku” dysków protoplanetarnych powstały te planety, powiedział Ji Wang, autor artykułu i adiunkt astronomii na Ohio State. Wyniki mogą skłonić naukowców do ponownej oceny i przebudowy ich teorii formowania się planet w Układzie Słonecznym i innych miejscach.
Wszystko, co wiemy o egzoplanetach, można umieścić w kontekście Układu Słonecznego i odwrotnie – powiedział Wang. Zazwyczaj formowanie się planet odbywa się oddolnie, co oznacza, że zaczyna się od małych obiektów, które gromadzą się, tworząc większą planetę, ale ta droga wymaga czasu.
Chociaż egzoplanety to obiekty planetarne, które krążą daleko poza granicami naszego Układu Słonecznego, lepsze zrozumienie tego, jak powstają, może pomóc naukowcom lepiej zrozumieć ewolucję Układu Słonecznego i wczesnej Ziemi, której powstanie nastąpiło znacznie później niż Jowisza, ale i tak została przez niego w dużym stopniu ukształtowana.
Oddolna interpretacja formowania się planet nazywana jest teorią akrecji jądra, ale innym możliwym mechanizmem formowania się planet jest ich powstawanie w wyniku niestabilności grawitacyjnej – gdy skupiska w dysku wokół gwiazdy są zbyt masywne, aby się utrzymać i zapadają się, tworząc planety. Ponieważ historia akrecji planety może być ściśle powiązana z tymi dwoma przekonującymi, ale uzupełniającymi się mechanizmami ewolucji, Wang powiedział, że ważne jest ustalenie, który proces jest częstszy.
Wyniki badań zostały niedawno opublikowane w czasopiśmie The Astrophysical Journal.
W pracy przeanalizowano próbkę siedmiu egzoplanet gazowych olbrzymów, których właściwości chemiczne gwiazd i planet zostały już bezpośrednio zmierzone w poprzednich badaniach i porównano je z danymi dotyczącymi gazowych olbrzymów w naszym Układzie Słonecznym, Jowisza i Saturna.
Wang wykazał, że wczesne formowanie się tych egzoplanet jest zgodne najnowszymi dowodami na to, że Jowisz uformował się znacznie wcześniej niż dotychczas sądzono. Odkrycie to opiera się na zaskakująco dużej ilości ciał stałych, które zostały zgromadzone przez te egzoplanety.
Wszystkie materiały gromadzone na początku formowania się planety zwiększają metaliczność jej atmosfery, a obserwując pozostawione przez nie ślady, naukowcy są w stanie zmierzyć ilość ciał stałych, które planeta kiedyś zgromadziła.
Im wyższa metaliczność, tym więcej ciał stałych i metali – wszystkiego, co w układzie okresowym pierwiastków jest cięższe od wodoru i helu – naukowcy mogą założyć, że zostały one dodane podczas procesu formowania, powiedział Wang.
Możemy wnioskować, że średnio każda z pięciu badanych planet zgromadziła równowartość 50 mas Ziemi ciał stałych – powiedział. Tak dużą ilość ciał stałych można znaleźć tylko wtedy, gdy układ jest młodszy niż 2 miliony lat, ale w naszym Układzie Słonecznym całkowita ilość dostępnych ciał stałych jest rzędu 30 do 50 mas Ziemi.
Te nowe dane sugerują, że elementy składowe użyte do uformowania egzoplanet były dostępne na wcześniejszym etapie ewolucji dysku protoplanetarnego niż oczekiwano, a ich dostępność znacznie spadła na przestrzeni milionów lat. Ponieważ naukowcy zwykle nie spodziewają się znaleźć dowodu na to, że planety uformowały się tak wcześnie, jest to odkrycie, z którym obecne teorie prawdopodobnie będą miały trudności, powiedział Wang.
Te egzoplanety uformowały się tak wcześnie, że wciąż dostępny był duży rezerwuar metali – powiedział Wang. Jest to coś, na co społeczność naukowa nie była w pełni przygotowana, więc teraz będą musieli wymyślić nowe teorie, aby to wyjaśnić.
Ponieważ gazowe olbrzymy przyciągają ogromne ilości materii podczas akrecji, ich formowanie i migracja w przestrzeni kosmicznej wpływa również na rozwój planet skalistych https://pl.wikipedia.org/wiki/Planeta_skalista w innych częściach dysku protoplanetarnego. Uważa się, że w Układzie Słonecznym zjawisko to spowodowało, że Jowisz i Saturn wypchnęły Merkurego z jego pierwotnej orbity, a Mars stał się znacznie mniejszy niż Ziemia czy Wenus.
Niemniej jednak, aby pomóc astronomom chcącym przeprowadzić podobne analizy formowania się planet w przyszłości, praca zapewnia również ramy statystyczne do wnioskowania o całkowitej masie akrecji ciał stałych dla dowolnej innej egzoplanety, co, jak zauważono w artykule, może być idealnym narzędziem do badania innych rodzajów złożonych danych pierwiastkowych.
Podczas gdy badania te opierały się wyłącznie na danych archiwalnych, Wang oczekuje, że jego praca zostanie uzupełniona o nowe dane o wysokiej rozdzielczości zebrane przez lepsze instrumenty, takie jak potężniejsze naziemne obserwatoria astronomiczne lub technologie nowej generacji, takie jak Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba.
Rozszerzając tę pracę o większą próbkę egzoplanet, mamy nadzieję, że tendencja przedstawiona w tym artykule utrzyma się – powiedział Wang.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
OSU
