Przejdź do treści

Olbrzymie odległe planety formują się inaczej niż brązowe karły

img

Zespół astronomów zbadał proces powstawania olbrzymich egzoplanet i brązowych karłów, klasy obiektów, które są bardziej masywne niż planety olbrzymy, ale niewystarczająco masywne, aby wywołać syntezę jądrową w swoich jądrach i zacząć świecić jak prawdziwe gwiazdy.

Korzystając z bezpośredniego obrazowania przy użyciu naziemnych teleskopów Kecka i Subaru, zespół badał orbity tych słabych towarzyszy krążących wokół gwiazd w 27 układach. Dane te, w połączeniu z modelowaniem orbit, pozwoliły ustalić, że brązowe karły w tych układach formowały się jak gwiazdy, a gazowe olbrzymy jak planety.

W ciągu ostatnich dwóch dziesięcioleci skok technologiczny pozwolił teleskopom oddzielić światło gwiazdy macierzystej od znacznie ciemniejszego obiektu, który ją okrąża. W 1995 r. dzięki tej nowej zdolności uzyskano pierwsze bezpośrednie obrazy brązowego karła krążącego wokół gwiazdy. Pierwszy bezpośredni obraz planet krążących wokół innej gwiazdy zaprezentowano w 2008 r.

Zidentyfikowane przez astronomów brązowe karły to obiekty o masie od 13 do 75 mas Jowisza. Mają cechy wspólne zarówno z planetami, jak i gwiazdami, ale zespół chciał odpowiedzieć na pytanie: Czy olbrzymie gazowe planety na zewnętrznych obszarach układów planetarnych są wierzchołkiem góry lodowej planet, czy też małomasywnym końcem brązowych karłów? Wcześniejsze badania wykazały, że brązowe karły krążące wokół gwiazd prawdopodobnie utworzyły się z gwiazd o niskiej masie, ale nie było jasne, jak małomasywnego towarzysza może uformować ten mechanizm tworzenia.

Korzystając z systemu optyki adaptatywnej (adaptative optics – AO) Obserwatorium Kecka wraz z Near-Infrared Camera, instrumentem drugiej generacji (NIRC2) na teleskopie Keck II, a także z teleskopem Subaru, zespół wykonał zdjęcia planet olbrzymów i brązowych karłów krążących wokół gwiazd macierzystych.

Pozyskiwanie takich danych to długi proces. Gazowe olbrzymy i brązowe karły, które badano, są tak odległe od swoich gwiazd macierzystych, że jeden pełen obieg może zająć setki lat. Aby określić nawet niewielki procent orbity, należy wykonać zdjęcie i poczekać rok, aż słaby towarzysz przemierzy kawałek swojej orbity. Potem robi się kolejne zdjęcie i znowu czeka.

Technologia AO pozwala astronomom korygować zniekształcenia wywołane ziemską atmosferą. Ponieważ w ciągu ostatnich trzech dekad instrumenty AO były wciąż ulepszane, bezpośrednio obrazowano kolejne brązowe karły i planety olbrzymy. Ponieważ jednak większości z tych odkryć dokonano w ciągu ostatniej dekady lub dwóch, zespół dysponuje tylko obrazami odpowiadającymi kilku procentom całkowitej orbity każdego obiektu. Badacze połączyli swoje nowe obserwacje 27 układów ze wszystkimi poprzednimi, opublikowanymi przez innych astronomów lub dostępnymi w archiwach teleskopów.

W tym momencie na scenę wchodzi modelowanie komputerowe. Autorzy artykułu pomogli stworzyć kod dopasowujący się do orbity nazwany Orbitize!, wykorzystujący prawa ruchu Keplera do identyfikacji, które typy orbit są zgodne z mierzonymi pozycjami, a które nie.

Kod generuje zestaw możliwych orbit dla każdego towarzysza. Niewielki ruch każdej olbrzymiej planety lub brązowego karła tworzy zestaw możliwych orbit. Im mniejszy zestaw, tym bardziej astronomowie zbliżają się do prawdziwej orbity towarzysza. Więcej punktów danych – to znaczy bardziej bezpośrednie obrazy każdego obiektu na orbicie – poprawi kształt orbity.

Zamiast czekać dziesięciolecia lub stulecia, aż planeta wykona jeden pełny obrót wokół gwiazdy, możemy nadrobić krótszy czas bazowy naszych danych dzięki bardzo dokładnym pomiarom pozycji. Część Orbitize!, którą opracowaliśmy specjalnie do dopasowania orbit częściowych OFTI (Orbits For The Impatient), pozwoliła nam znaleźć orbity nawet dla towarzyszy z najdłuższym okresem orbitalnym – powiedział członek zespołu Eric Nielsen z Uniwersytetu Stanforda.

Znalezienie kształtu orbity jest kluczowe. Obiekty, które mają bardziej kołowe orbity, uformowały się jako planety. Oznacza to, że gdy obłok gazu i pyłu zapada się, tworząc gwiazdę, odległy towarzysz (i wszelkie inne planety) formuje się ze spłaszczonego dysku protoplanetarnego wokół tej gwiazdy.

Z drugiej strony te obiekty, które mają bardziej wydłużone orbity, prawdopodobnie powstały jako gwiazdy. W tym scenariuszu obłok gazu i pyłu zapada się, tworząc gwiazdę, ale rozpada się na dwie bryły. Każda bryła zapada się – jedna tworzy gwiazdę, a druga brązowego karła krążącego wokół tej gwiazdy. Zasadniczo jest to układ podwójny gwiazd, chociaż zawiera jedną prawdziwą gwiazdę i jedną „gwiazdę nieudaną”.

Mimo że towarzysze mają miliony lat, pamięć o tym, jak powstały, wciąż jest zakodowana w ich dzisiejszej ekscentryczności. Mimośród jest miarą tego, jak kołowa bądź wydłużona jest orbita obiektu.

Wyniki badań 27 odległych towarzysz były jednoznaczne.

Przyszłość tej pracy polega zarówno na dalszym monitorowaniu tych 27 obiektów, jak również na identyfikowaniu nowych w celu rozszerzenia badań. Zespół wykorzystuje satelitę Gaia do poszukiwania dodatkowych kandydatów, których mogliby śledzić z użyciem bezpośredniego obrazowania z jeszcze większą czułością przyszłego Gigantycznego Teleskopu Magellana (Giant Magellan Telescope).

Opracowanie: Agnieszka Nowak

Więcej:
Distant Giant Planets Form Differently Than ‘Failed Stars’

Population-level Eccentricity Distributions of Imaged Exoplanets and Brown Dwarf Companions: Dynamical Evidence for Distinct Formation Channels

Źródło: Obserwatorium Kecka