Naukowcy już rozumieją, gdzie kończą się duże planety i zaczynają brązowe karły – to odkrycie, które na nowo może definiować termin „planeta”.
Niewiele pojęć w astronomii dzieli tak, jak słowo „planeta”. Chociaż degradacja Plutona w 2006 roku od dawna jest w centrum uwagi, inne wielkie światy także wchodzą w grę. Naukowcy długo zastanawiali się, jak masywna może być planeta, zanim przestanie być uważana za planetę.
W artykule opublikowanym niedawno w „The Astrophysical Journal”, Kevin Schlaufman (Uniwersytet Johna Hopkinsa w Baltimore) wyznaczył górną granicę planety na przedział pomiędzy 4 a 10 masami Jowisza. Każdy bardziej masywny obiekt nie jest planetą a brązowym karłem – tak zwaną „nieudaną gwiazdą”.
Chociaż wyniki te nie spowodują przeklasyfikowania żadnych planet w Układzie Słonecznym, mają one ogromne znaczenie dla tego, jak formują się olbrzymie egzoplanety i brązowe karły. Odkrycie linii podziału między dużymi planetami a brązowymi karłami – lub masy, przy której kończy się jedna kategoria, a zaczyna druga – pomaga w szukaniu fundamentalnych różnic między tymi dwoma typami obiektów. Chociaż ich rozmiary wydają się podobne, wielu naukowców spekulowało, że formują się one zupełnie inaczej.
Planety podobne do Jowisza rozwijają się w procesie zwanym akrecją rdzenia. Najpierw ogromne ilości lodu i skał zderzają się i sklejają, tworząc skalisty zarodek, mniej więcej o masie Ziemi. Następnie ściąga on gaz z dysku protoplanetarnego na siebie, aż zostanie osłonięty masywną powłoką wodoru i helu. Natomiast brązowe karły tworzą się odwrotnie, podobnie jak gwiazdy, zapadając się bezpośrednio z obłoku gazu – a przynajmniej taka jest hipoteza. Jeżeli to prawda, planety podobne do Jowisza będą znacznie łatwiej powstawać w dyskach protoplanetarnych, które są bogate w pierwiastki ciężkie. To dlatego, że pierwiastki te są podstawowym budulcem skał, które formują jądra planetarne. Tak więc jeżeli będzie więcej ciężkich pierwiastków, więcej będzie też planet podobnych do Jowisza – i to jest coś, co astronomowie powinni wykryć.
Już wcześniej dane sugerowały taki stan rzeczy, jednak astronomowie nie byli jeszcze w stanie stwierdzić, czy to prawda. Ludzkie oko jest bardzo dobre w widzeniu wzorców nawet wtedy, gdy w rzeczywistości ich tam nie ma, więc śledzenie ich z większm rygorem i solidną metodologią statystyczną jest zdecydowanie najlepszą drogą – mówi Gregory Laughlin (Uniwersytet Yale), który nie uczestniczył w badaniu.
Dokładnie to robił Schlaufman. Odkrył, że w 146 wyselekcjonowanych układach planetarnych obiekty o masach poniżej 4–10 mas Jowisza mają tendencję do formowania się wokół gwiazd, więc bezpośredni kolaps jest prawdopodobnie odpowiedzialny za ich formowanie. Podział oznacza, że obiekt poniżej dziesięciu mas Jowisza jest prawdopodobnie planetą, a obiekt powyżej tej masy – brązowym karłem.
Schlaufman oparł swoją definicję na fizyce tworzenia się planet. Jeżeli wyznaczymy granicę tego, jak duże rzeczy mogą rosnąć dzięki jednemu mechanizmowi w porównaniu z innymi, to powinno nam to pomóc sformułować hipotezy dotyczące formowania się brązowych karłów oraz planet – mówi Kaitlin Kratter (Uniwersytet Arizony).
Jeżeli chodzi o nadrzędne implikacje, Schlaufman na tym nie poprzestaje, ale wskazuje, że jeżeli zna się największą możliwą masę dla planety, można określić wielkość dysku protoplanetarnego, w którym się ona uformowała. Może to pomóc rozwiązać fundamentalny problem w modelach teoretycznych, które pokazują, że nowo narodzone planety będą wchodzić w interakcje z dyskiem protoplanetarnym, tracić moment pędu i gwałtownie skręcać w stronę swojej gwiazdy macierzystej – wszystko to w ciągu dziesięciu tysięcy lat po swoim powstaniu. Nie zgadza się to z obserwacjami – widzimy wiele starych planet wielkości Jowisza. Oczywiście coś musi powstrzymywać tę wewnętrzną migrację.
Schlaufman uważa, że ma odpowiedź. Sugeruje, że dyski protoplanetarne, które mogą tworzyć planety jedynie o masach 4–10 mas Jowisza, mają wyjątkowe właściwości: albo mają niską gęstość powierzchniową, albo są nieefektywne w przenoszeniu momentu pędu. W obu przypadkach dysk zatrzyma wewnętrzną spiralę planet podobnych do Jowisza, aby przetrwały wystarczająco długo, byśmy mogli je zobaczyć.
Zarówno Kratter jak i Laughlin nie są zdecydowani, aby od razu zastosować ustalenia Schlaufmana do modeli migracji, chociaż rozumowanie Laughlina wynika z faktu, że nie jest przekonany, że migracja ma miejsce w większości układów planetarnych. Zamiast tego, twierdzi on, że ważność badania jest nowym dowodem na to, że istnieje wyraźna różnica między planetami wielkości Jowisza a brązowymi karłami.
Więcej:
There’s a New Definition for the Term “Planet”
Źródło: Sky and Telescope
Opracowanie: Agnieszka Nowak
Na zdjęciu: Wizja artystyczna pozasłonecznego układu planetarnego. Źródło: JPL/NASA
