Z nowych badań wynika, że gwiazdy o masie mniejszej niż połowa masy Słońca są w stanie posiadać olbrzymie planety w typie Jowisza, co stoi w sprzeczności z powszechnie akceptowaną teorią powstawania takich planet.
Gazowe olbrzymy, podobnie jak inne planety, powstają z dysków materii otaczających młode gwiazdy. Zgodnie z teorią akrecji jądra najpierw tworzy się ich jądro ze skał, lodu i innych ciężkich ciał stałych, przyciągając zewnętrzną warstwę gazu, gdy to jądro staje się już wystarczająco masywne (czyli około 15 do 20 razy większe niż Ziemia).
Jednak gwiazdy o niskiej masie mają małomasywne dyski, które, jak przewidują modele, nie dostarczają wystarczająco dużo materiału, aby uformować w ten sposób gazowego olbrzyma. W każdym razie nie na tyle szybko, zanim cały ten dysk się rozpadnie. W nowym badaniu opublikowanym w Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS) naukowcy przyjrzeli się 91 306 gwiazdom o małej masie, wykorzystując w tym celu obserwacje z satelity Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS), i w 15 przypadkach znaleźli dla nich charakterystyczne spadki jasności, które w metodzie tranzytów odpowiadają właśnie gazowemu olbrzymowi przechodzącemu przed swoją gwiazdą.
Pięć z piętnastu potencjalnych planet olbrzymów zostało od tego czasu potwierdzonych jako planety przy użyciu niezależnych metod. Jedna z tych potwierdzonych planet krąży wokół gwiazdy o masie równej ⅕ masy Słońca – co nie byłoby możliwe według powszechnych dziś modeli formowania się planet.
Gwiazdy o niskiej masie są lepsze w formowaniu planet olbrzymów, niż myśleliśmy. Nasze wyniki rodzą poważne pytania dotyczące modeli formowania się planet. W szczególności wykrycie przez nas gazowych olbrzymów krążących wokół gwiazd o masie zaledwie 20% masy Słońca jest sprzeczne z obecną teorią – wyjaśnia główny autor pracy, dr Ed Bryant (Mullard Space Science Laboratory na UCL, dawniej University of Warwick).
Fakt, że choć rzadko, gazowe olbrzymy istnieją też wokół gwiazd małomasywnych, jest nieoczekiwanym odkryciem i oznacza, że modele powstawania planet będą musiały zostać zrewidowane – dodaje jego współpracownik, dr Vincent Van Eylen.
Dlaczego jednak tak się dzieje?
Jedna z możliwych interpretacji jest taka, że gazowe olbrzymy nie powstają w wyniku niestabilności grawitacyjnej, gdzie dysk otaczający gwiazdę rozpada się na grudki pyłu i gazu wielkości planety. Jeżeli tak jest, to małomasywne gwiazdy mogłyby posiadać bardzo duże gazowe olbrzymy, nawet dwu lub trzykrotnie przekraczające masę Jowisza. Jednak uważa się to za mało prawdopodobne, ponieważ dyski wokół gwiazd o niskiej masie nie wydają się wystarczająco masywne, aby ulec takiej fragmentacji.
Innym wyjaśnieniem, jak twierdzą naukowcy, jest to, że astronomowie nie docenili tego, jak masywny może być dysk gwiazdy, co oznacza, że także małe gwiazdy mogą tworzyć olbrzymie planety poprzez akrecję jądra. Może być to zresztą spowodowane tym, że źle obliczyli masę dysków, które możemy obserwować przez teleskopy, albo też faktem, że dyski te mają większą masę na początku życia gwiazdy, kiedy są bardzo trudne do zaobserwowania (ponieważ są osadzone w obłokach pyłu), w porównaniu z późniejszym okresem życia gwiazdy, kiedy możemy je dość swobodnie obserwować.
Możliwe, że nie rozumiemy masy tych dysków protoplanetarnych tak dobrze, jak nam się wydawało. Potężne nowe instrumenty, takie jak Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, będą w stanie zbadać właściwości dysków bardziej szczegółowo – dodaje inny współautor badań, dr Dan Bayliss (University of Warwick).
W swojej pracy badacze starali się określić, jak często olbrzymie planety występują wokół gwiazd o niskiej masie, sprawdzając, czy ten wskaźnik występowania pasuje z kolei do tych, jakie przewidują modele akrecji jądra. Użyli specjalnego algorytmu do identyfikacji sygnałów tranzytujących gazowych olbrzymów w świetle emitowanym przez gwiazdy o małych masach. Następnie zweryfikowali te sygnały, odrzucając przy tym szereg fałszywych wyników pozytywnych.
Aby określić, jak prawdopodobne jest, że taka metoda wykryje rzeczywiste gazowe olbrzymy orbitujące wokół małomasywnych gwiazd, zastosowali też swoje symulacje tysięcy rzeczywistych sygnałów tranzytujących planet z teleskopu TESS, aby sprawdzić, ile z tych planet faktycznie jest w stanie wykryć ich algorytm.
Teraz zespół pracuje nad ostatecznym potwierdzeniem (lub wykluczeniem) dziewięciu z piętnastu kandydujących planet, które wcześniej zidentyfikował. Ci kandydaci mogą być także gwiazdami towarzyszącymi, lub może istnieć jeszcze inny powód spadków jasności gwiazd macierzystych. Zespół wnioskuje o masach tych obiektów, szukając charakterystycznego „chybotania” pozycji ich gwiazdy macierzystej, co wskazuje na możliwe oddziaływanie grawitacyjne planety. To kołysanie można wykryć za pomocą analizy spektroskopowej światła gwiazdy – mierząc różne pasma światła, aby prześledzić ruch gwiazdy zachodzący od nas lub w naszym kierunku.
Więcej informacji:
- Small stars may host bigger planets than previously thought
- The occurrence rate of giant planets orbiting low-mass stars with TESS
Źródło: UCL
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Na ilustracji: Wizja artystyczna wschodu Słońca na planecie NGTS-1b, gazowym olbrzymie odkrytym na orbicie wokół małomasywnej gwiazdy. Źródło: University of Warwick/Mark Garlick