Odkryta egzoplaneta sygnalizuje powstawanie masywnych gazowych olbrzymów

Wydłużona, wsteczna orbita egzoplanety zawiera wskazówki dotyczące historii formowania się i przyszłych trajektorii gorących jowiszów.

Astronomowie odkryli planetę, która ma najbardziej wydłużoną orbitę, jaką kiedykolwiek znaleziono wśród planet tranzytujących. Ekstremalna planeta podąża po jednej z najbardziej drastycznie rozciągniętych orbit spośród wszystkich znanych egzoplanet. Okrąża ona również swoją gwiazdę wstecz, co daje wgląd w tajemnicę tego, jak powstają, stabilizują się i ewoluują masywne planety gazowe, znane jako gorące jowisze.

Badania prowadzone przez naukowców z Penn State zostały opublikowane 17 lipca 2024 roku w czasopiśmie Nature.

Uchwyciliśmy tę masywną planetę wykonującą ostry zakręt podczas jej bliskiego przejścia do swojej gwiazdy – powiedział Suvrath Mahadevan, profesor astronomii Verne M. Willaman w Penn State i autor artykułu. Takie wysoce ekscentryczne planety tranzytujące są niezwykle rzadkie – i to naprawdę niesamowite, że udało nam się odkryć najbardziej ekscentryczną z nich.

Mahadevan wyjaśnił, że termin „ekscentryczna” odnosi się do kształtu orbity planety, która jest mierzona w skali od zera do jednego, przy czym zero oznacza idealnie kołową orbitę. Ta egzoplaneta, nazwana TIC 241249530, ma mimośród orbity wynoszący 0,94, co czyni ją bardziej ekscentryczną niż orbita jakiejkolwiek innej tranzytującej egzoplanety, jaką kiedykolwiek znaleziono. Dla porównania, silnie eliptyczna orbita Plutona wokół Słońca ma mimośród 0,25; mimośród Ziemi wynosi 0,02. Mahadevan wyjaśnił, że tak ekstremalna orbita spowodowałaby wahania temperatur na planecie od letniego dnia w najdalszym punkcie jej orbity do niezwykle wysokich w momencie największego zbliżenia.

Aby dodać do niezwykłego charakteru orbity egzoplanety, zespół odkrył również, że krąży ona wstecz, czyli w kierunku przeciwnym do rotacji swojej gwiazdy macierzystej. Nie jest to coś, co astronomowie obserwują u większości innych egzoplanet, ani w naszym własnym Układzie Słonecznym, co pomaga zespołowi w interpretacji historii formowania się egzoplanet.

Chociaż nie możemy dokładnie przewinąć wstecz i obserwować procesu migracji planet w czasie rzeczywistym, ta egzoplaneta służy jako swego rodzaju migawka procesu migracji – powiedział Arvind Gupta z NOIRLab i główny autor artykułu. Planety takie jak ta są trudne do znalezienia i mamy nadzieję, że pomoże nam to rozwikłać historię formowania się gorących jowiszów.

Obecnie istnieje ponad 5600 potwierdzonych egzoplanet w nieco ponad 4000 układów gwiazdowych. W tej populacji około 300-500 egzoplanet należy do ciekawej klasy znanej jako gorące jowisze – duże, podobne do Jowisza egzoplanety, które krążą bardzo blisko swojej gwiazdy, znacznie bliżej niż Merkury od Słońca. To, w jaki sposób gorące jowisze trafiają na tak bliskie orbity, jest tajemnicą, ale astronomowie podejrzewają, że zaczynają one na orbitach daleko od swojej gwiazdy, a następnie z czasem migrują do wewnątrz. Wczesne etapy tego procesu rzadko były obserwowane, ale dzięki nowej analizie egzoplanety o nietypowej orbicie, astronomowie są o krok bliżej rozwiązania zagadki gorących jowiszów.

Astronomowie od ponad dwóch dekad poszukują egzoplanet, które prawdopodobnie są prekursorami gorących Jowiszów lub pośrednimi produktami procesu migracji, więc byłem bardzo zaskoczony – i podekscytowany – znalezieniem jednej z nich – powiedział Gupta.

Naukowcy po raz pierwszy wykryli planetę za pomocą satelity TESS w styczniu 2020 roku, który ujawnił spadek jasności gwiazdy zgodny z pojedynczą planetą wielkości Jowisza przechodzącą przed gwiazdą. Aby potwierdzić naturę tych wahań i wyeliminować inne możliwe przyczyny, zespół astronomów wykorzystał dwa instrumenty na 3,5-metrowym teleskopie WIYN w Narodowym Obserwatorium Kitt Peak (KPNO).

Zespół najpierw wykorzystał instrument NN-EXPLORE Exoplanet and Stellar Speckle Imager (NESSI) w technice, która pomaga „zamrozić” migotanie atmosferyczne, co wykazało, że w pobliżu nie było żadnych obcych gwiazd, które mogłyby zmylić pomiary TESS. Następnie, korzystając ze spektrografów HPF i NEID, zespół zaobserwował, jak widmo TIC 241249530, czyli długość fal emitowanego przez nią światła, zmieniło się w wyniku orbitowania wokół niej egzoplanety.

To bardzo ekscytujące widzieć tak wspaniałą naukę płynącą z NEID w ciągu zaledwie kilku lat działalności – powiedziała Andrea Lin, współautorka artykułu i doktorantka w Penn State, która pomogła zbudować i uruchomić spektrograf NIED. Dopiero zaczynamy i nie mogę się doczekać, aby zobaczyć, co możemy osiągnąć w przyszłości.

Szczegółowa analiza zmian prędkości gwiazd podczas sześciomiesięcznego okresu orbitalnego planety potwierdziła, że egzoplaneta jest około pięć razy masywniejsza od Jowisza i krąży po niezwykle ekscentrycznej orbicie.

Jest to najbardziej ekscentryczna znana planeta tranzytująca i okaże się równie ważna jak poprzednia rekordzistka, HD80606b, która również ma zwariowaną orbitę, wysoce niedopasowaną do obrotu gwiazdy macierzystej – powiedział Jason Wright, profesor astronomii i astrofizyki Penn State, który nadzorował projekt, gdy Gupta był doktorantem na Uniwersytecie. Te dwie wysoce ekscentryczne planety zostały „przyłapane na gorącym uczynku” ewolucji w kierunku statusu gorącego jowisza. Podobnie jak HD80606b, ta planeta ma masę wielokrotnie większą od masy Jowisza, co sugeruje, że ten kanał formowania gorących jowiszów może być kanałem, z którego mogą korzystać tylko najbardziej masywne planety.

Łącznie te dwa przykłady potwierdzają obserwacyjnie koncepcję, że gazowe olbrzymy o wyższej masie ewoluują, aby stać się gorącymi jowiszami, gdy migrują z wysoce ekscentrycznych orbit w kierunku ciemniejszych, bardziej kołowych orbit.

Jesteśmy szczególnie zainteresowani tym, czego możemy się dowiedzieć o dynamice atmosfery tej planety po tym, jak wykona ona jedno ze swoich niezwykle bliskich podejść do swojej gwiazdy”– powiedział Wright. Teleskopy takie jak JWST mają odpowiednią czułość, aby badać zmiany w atmosferze tej nowo odkrytej egzoplanety, gdy ulega ona gwałtownemu nagrzaniu, więc zespół wciąż może dowiedzieć się znacznie więcej o tej egzoplanecie.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:
Penn State University

Vega