Teleskop Hubble’a ujawnia sekrety planet z waty cukrowej

Gdy zaczęto badać Układ Słoneczny, astronomowie i geolodzy zdali sobie sprawę, że planety mogą być zbudowane niemal ze wszystkiego. Planety skaliste takie jak Ziemia, Mars czy Wenus mają gęste żelazne jądra i otaczające je skaliste płaszcze. Masywne planety zewnętrzne, takie jak Jowisz i Saturn, są z kolei złożone z gazu i nie posiadają stałej powierzchni (przechodzi ona po prostu płynnie w atmosferę). W takim przypadku nie można spojrzeć w dół przez spowijające je, gęste chmury i zajrzeć do środka, ale skład takiej planety można także wywnioskować, porównując jej masę (obliczoną na bazie parametrów jej orbity) do obserwowanej wielkości. Stąd wiemy, że Jowisz ma mniej więcej gęstość wody, a Saturn – jeszcze niższą (i dlatego mógłby swobodnie unosić się w ogromnej wannie). Te gazowe olbrzymy mają zaledwie jedną piątą gęstości skalistej Ziemi.

Tymczasem niedawno astronomowie odkryli zupełnie nową klasę planet, niepodobnych do niczego, co znajduje się w znanym nam najlepiej Układzie Słonecznym. Zamiast skalistego globu lub gazowego olbrzyma mamy tu do czynienia z czymś na kształt planety ulepionej z waty cukrowej. Gęstość takich planet jest na tyle niska, a one same na tyle duże, że mogą mieć rozmiary zbliżone do wielkości Jowisza, a przy tym masy rzędu zaledwie jednej setnej jego masy. Trzy z nich krążą wokół podobnej do Słońca gwiazdy Kepler 51, oddalonej od nas o około 2600 lat świetlnych.

Te niezwykle rozdęte planety mogą reprezentować krótką fazę przejściową w ewolucji planet, co tłumaczyłoby, dlaczego nie widzimy czegoś podobnego w Układzie Słonecznym. Planety mogły uformować się znacznie dalej od swojej gwiazdy, a następnie przemieścić się do bardziej wewnętrznych obszarów swego układu gwiazdowego. Obecnie natomiast ich atmosfera wodorowo-helowa o niskiej gęstości wypływa w przestrzeń kosmiczną. W końcu mogą zostać po nich znacznie mniejsze planety.

Mamy zatem całkiem nową i rzadką klasę młodych egzoplanet, które mają gęstość waty cukrowej. Nowe dane z Kosmicznego Teleskopu Hubble'a dostarczyły pierwszych wskazówek co do składu chemicznego dwóch z tych „superspuchniętych” planet, znajdujących się w układzie Kepler 51. Ten system planetarny, w którym wykryto trzy takie planety okrążające młodą gwiazdę podobną do Słońca, został odkryty przez Teleskop Keplera w 2012 roku. Jednak dopiero w 2014 roku wyznaczono niezwykle niskie gęstości tych planet.

Najświeższe obserwacje z Hubble'a pozwoliły zespołowi astronomów poprawić oszacowania ich mas i wielkości, potwierdzając ich dziwną, „opuchniętą” naturę. Choć masa takich planet jest nie większa niż kilkukrotność masy Ziemi, ich atmosfery złożone z wodoru i/lub helu są tak rozdęte, że efektywnie światy te mają wielkości typowe dla Jowisza.

Jak i dlaczego te atmosfery aż tak się rozszerzają? Przyczyny pozostają nieznane. Korzystając z Teleskopu Hubble'a, zespół szukał dowodów na obecność różnych substancji, w tym także wody, w atmosferach planet Kepler-51b i 51d. Hubble obserwował te planety, gdy tranzytowały one na tle tarczy swojej macierzystej gwiazdy, starając się wykryć emisję podczerwoną typową dla ich „zachodów Słońca”. Astronomowie oszacowali w ten sposób ilość światła pochłoniętego przez ich atmosfery w świetle podczerwonym. Tego rodzaju obserwacje pozwalają szukać charakterystycznych wzorców związków chemicznych budujących planety, takich jak woda.

Ku zdumieniu zespołu okazało się, że widma obu planet nie mają żadnych charakterystycznych sygnatur chemicznych. Taki wynik można przypisać obecności chmur złożonych położonych wysoko w ich atmosferze. Dla naukowców było to jednak dość nieoczekiwane. Spodziewali się wyraźnych oznak absorpcji wody, a po prostu ich tam nie było. Planety są więc silnie zachmurzone, ale – w przeciwieństwie do chmur wodnych na Ziemi – obłoki tych planet mogą składać się z kryształków soli lub mgieł fotochemicznych, podobnych do tych znalezionych na największym księżycu Saturna – Tytanie.

Chmury te dały zespołowi wgląd w to, jak Kepler-51b i 51d prezentują się w zestawieniu z małymi, bogatymi w gaz planetami wykrytymi poza Układem Słonecznym. Porównując płaskie widma „superspuchniętych” planet z widmami mniejszych planet astronomowie mogli poprzeć hipotezę, że tworzenie się chmur czy mgieł jest powiązane z temperaturą planety – im chłodniejsza jest planeta, tym bardziej staje się zachmurzona i zamglona.

Zespół zbadał również możliwość, że planety wcale nie są aż tak rozdęte, a dotychczasowe obserwacje były obarczone jakimiś błędami. Przyciąganie grawitacyjne między planetami powoduje niewielkie zmiany ich okresów orbitalnych. Na podstawie tych efektów czasowych można uzyskać informacje o masach planet. Łącząc różnice w czasie, w jakim dana planeta przechodzi przed swą gwiazdą (tzw. tranzyt), z tranzytami obserwowanymi przez Teleskop Keplera, zespół dokładniej wyznaczył masy planetarne i dynamikę badanego układu. Wyniki są w zgodzie z wartościami poprzednimi zmierzonymi dla planety Kepler-51b, ale planeta Kepler-51 d okazała się teraz nieco mniej masywna (lub jeszcze bardziej „opuchnięta”), niż wcześniej sądzono.

Ostatecznie zespół doszedł do wniosku, że niskie gęstości obu planet są po części konsekwencją młodego wieku ich układu gwiazdowego, który wynosi zaledwie 500 milionów lat (to niewiele w porównaniu z naszym liczącym sobie już 4,6 miliarda lat Układem Słonecznym). Modele sugerują, że planety te powstały poza linią śniegu swej gwiazdy, czyli regionem tych możliwych orbit, w których mogą przetrwać materiały lodowe. Następnie planety migrowały do wewnątrz układu macierzystego.

Teraz, gdy planety są znacznie bliżej gwiazdy, ich atmosfery o niskiej gęstości powinny wyparować w kosmos w ciągu najbliższych kilku miliardów lat. Dzięki wykorzystaniu modeli ewolucji planet zespół był w stanie wykazać, że Kepler-51 b, planeta najbliższa gwiazdy, pewnego dnia (za około miliard lat) będzie wyglądać jak mniejsza i cieplejsza wersja Neptuna, czyli stanie się planetą należącą do typu, który jest dość powszechny w całej Drodze Mlecznej.

Tymczasem przyszły Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (NASA), posiadający zdolność obrazowania także w dłuższych falach podczerwieni, może być w stanie zajrzeć przez spowijające te planety, grube warstwy chmur. Nadchodzące obserwacje wykonywane z pomocą tego teleskopu mogą zapewnić astronomom wgląd w to, z czego faktycznie te światy się składają – i czy faktycznie to coś choć trochę przypomina watę cukrową. Do tego czasu skład planet pozostanie ich słodką tajemnicą.

Czytaj więcej: