Przez stulecia nie było wiadomo, czy jesteśmy sami we Wszechświecie i czy w ogóle są planety podobne do naszej. To pierwsze nie zmieniło się do dziś, ale dzięki nowym teleskopom i metodom stosowanym w ostatnich dekadach wiemy już, że istnieją tysiące planet krążących wokół odległych gwiazd, o najróżniejszych kształtach i rozmiarach ─ dużych i małych, skalistych i gazowych, pochmurnych, lodowych i wilgotnych.
Badania przeprowadzone przez naukowców z Uniwersytetu w Chicago, Uniwersytetu Michigan i Uniwersytetu Maryland wskazują teraz kolejną pozycję na tej liście: planety z atmosferami helowymi. Co więcej, odkrycie to może sugerować nowy kierunek w rozumieniu ewolucji planet. Symulacje wykazały, że ze znacznym prawdopodobieństwem hel z czasem gromadzi się w atmosferach niektórych typów egzoplanet. Jeśli się to potwierdzi, być może uda się wyjaśnić znaną zagadkę rozmiarów egzoplanet. Jest nią obserwacyjna przepaść pomiędzy wielkościami dwóch znanych populacji planet, nazywana też „doliną promienia” i będąca przedmiotem ożywionej debaty w tej tematyce. Naukowcy uważają, że rozwiązanie tego problemu pomoże zrozumieć, jak te i inne planety formują się i ewoluują w czasie.
Niektórzy twierdzą na przykład, że wyjaśnienie zagadkowej luki w rozmiarach planet może mieć związek z ich atmosferami. Trudno jest być bowiem planetą krążącą blisko swojej gwiazdy, gdyż jest się wówczas nieustannie bombardowaną promieniami rentgenowskimi i ultrafioletowymi, które mogą pozbawić nas atmosfery. Możliwe zatem, że jakiś podzbiór planet całkowicie utracił swe atmosfery i planety te istnieją odtąd już tylko jako skaliste rdzenie – jądra dawnych planet.
Zespół, w skład którego weszli Leslie Rogers i Isaac Malsky, postanowił zatem przyjrzeć się bliżej zjawisku znanemu jako ucieczka atmosfery. Naukowcy stworzyli w tym celu modele oparte na różnych danych, jakimi obecnie dysponujemy na temat planet, oraz na prawach fizyki. Modele te pozwalają lepiej zrozumieć, jak ciepło i promieniowanie wpływają na atmosfery planetarne. Następnie uczeni stworzyli 70 tysięcy symulowanych planet, zmieniając ich rozmiar, typ gwiazdy, wokół której krążą, oraz temperatury ich atmosfer – a model każdorazowo wskazywał, co działoby się z nimi w czasie.
Stwierdzono, że po upływie kilku miliardów lat wodór obecny w atmosferach planet najprawdopodobniej ucieka szybciej niż hel. Wodór ma mniejszą masę atomową, więc łatwiej jest go stamtąd usunąć. Z czasem powoduje to nagromadzenie się helu – symulacje pokazują, że może on wtedy stanowić ponad 40% masy atmosfery. Co ciekawsze, zespół zaproponował również sposób potwierdzenia tych wyników na drodze obserwacyjnej. Niedawno uruchomiony Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba i inne potężne współczesne teleskopy mogą pozyskać dane na temat pierwiastków znajdujących się w atmosferze danej planety, a także ich ilości. Mogłyby też zatem sprawdzić, czy w atmosferach niektórych planet znajduje się podejrzanie duża ilość helu.
Jeśli ta teoria jest poprawna, planety z bogatą w hel atmosferą powinny być szczególnie częste w tzw. dolnej części grupy planet o większych promieniach, ponieważ hel zaczyna się gromadzić, gdy sama planeta zaczyna się kurczyć, w miarę jak jej atmosfera stopniowo zanika. Dwie różne grupy planet o danej wielkości pojawiają się z kolei przez to, że nawet niewielka ilość helu i wodoru tworzy bardzo rozdętą atmosferę, która może wtedy znacząco zwiększyć promień takiej planety. Jeśli więc te planety mają jeszcze jakąś atmosferę, znajdą się w grupie tych o większym promieniu, a jeśli jej nie mają, w grupie o wyraźnie mniejszym promieniu.
Warto podkreślić na koniec, że żaden z tych dwóch typów planet nie jest uważany za nadający się do zamieszkania. Są one gorące, narażone na silne promieniowanie, a ich atmosfera jest najprawdopodobniej poddawana bardzo wysokiemu ciśnieniu. Astronomowie uważają jednak, że lepsze zrozumienie procesów, które prowadzą do formowania się planet w ogólności, może ostatecznie pomóc im lepiej przewidzieć, jakie inne planety są w kosmosie i jak wyglądają, a także ukierunkować metody poszukiwań tych bardziej gościnnych z nich.
Czytaj więcej:
- Cały artykuł
- Oryginalna publikacja: Isaac Malsky et al., Helium-enhanced planets along the upper edge of the radius valley, Nature Astronomy (2022)
- Wykryto hel w atmosferze planety pozasłonecznej
Źródło: Phys.org
Opracowanie: Elżbieta Kuligowska
Na ilustracji: Artystyczna ilustracja odległej planety z atmosferą bogatą w hel. Nowe badania wyjaśniają, dlaczego tego typu planety mogą być bardzo powszechne. Źródło: NASA/JPL-Caltech