Misterul planetelor mai fierbinți decât stelele

Până la începutul anilor 2000 singurele planete cunoscute erau cele din Sistemul Solar. În general, acestea se înscriu în două categorii: planetele mici, stâncoase, din sistemul solar interior și planetele gazoase, reci, situate în partea exterioară a sistemului solar.

Odată cu descoperirea exoplanetelor, adică a planetelor care orbitează stele, altele decât Soarele, au fost descoperite clase suplimentare de planete și s-a înţeles că Sistemul Solar nu este, în niciun caz, tipic.

De exemplu, datele din misiunea Kepler au arătat că exoplanete mari și gazoase pot orbita foarte aproape de steaua lor şi nu departe de aceasta, așa cum este cazul în Sistemul Solar, atingând temperaturi care depășesc 1.000 K (727 °C). Aceste planete au fost încadrate în două categorii denumite „Jupiter fierbinte” și „Jupiter ultrafierbinte”.

Chiar dacă majoritatea celorlalte exoplanete sunt mai mici, având mărimea cuprinsă între cea a lui Neptun și a Pământului, nu știm prea multe despre compoziția lor.

Cum se pot forma planete gazoase fierbinți atât de aproape de steaua lor? Ce fel de procese fizice extreme sunt implicate în acest caz?

Răspunsurile la aceste întrebări au implicații profunde în înțelegerea exoplanetelor și a planetelor Sistemului Solar. În studiul nostru recent, care a fost publicat în The Astrophysical Journal Letters, am adăugat o altă piesă la puzzle-ul formării și evoluției planetelor.

Kelt-9 b

Cea mai fierbinte exoplanetă cunoscută până acum este Kelt-9 b, care a fost descoperită în anul 2016.

Kelt-9 b orbitează o stea care este de două ori mai fierbinte decât Soarele, la o distanță de zece ori mai mică decât distanţa planetei Mercur față de Soare.

Kelt-9 b este o exoplanetă gazoasă mare, având o rază de 1,8 ori mai mare decât cea a lui Jupiter și o temperatură care ajunge la 5.000 K. Pentru comparație, Kelt-9 b este mai fierbinte decât 80% din toate stelele din univers și are o temperatură similară cu a Soarelui.

În esență, planetele de tipul „Jupiter fierbinte” relevă procese fizice și chimice extreme. Ele oferă o oportunitate incredibilă de a studia procese fizice în condiții de mediu aproape imposibil de reprodus pe Pământ.

Studiul acestora îmbunătățește înțelegerea proceselor chimice și termice, a dinamicii atmosferice și a formării norilor. Înțelegerea originii lor ne poate ajuta, de asemenea, să îmbunătățim modelele de formare și evoluție planetară.

Încă ne străduim să explicăm cum se formează planetele și originea unor elemente chimice, dar şi a apei, din Sistemul Solar. Pentru a afla, trebuie să aflăm mai multe despre compoziția exoplanetelor observându-le atmosfera.

Observarea atmosferei exoplanetelor

Există două metode principale pentru a studia atmosferele exoplanetelor. În metoda tranzitului, se captează radiaţia electromagnetică stelară care este filtrată prin atmosferă atunci când exoplaneta trece prin fața stelei sale, ceea ce dezvăluie amprentele oricăror elemente chimice care se află în atmosfera exoplanetei.

Cealaltă metodă de investigare a unei exoplanete este în timpul unei „eclipse”, atunci când planetă trece prin spatele stelei sale gazdă. Planetele emit și reflectă o anumită cantitate de radiaţie electromagnetică, astfel încât, comparând micile modificări ale radiaţiei electromagnetice totale, atunci când planeta este ascunsă și vizibilă, se poate extrage radiaţia electromagnetică care provine de pe planetă.

Ambele tipuri de observații sunt efectuate pentru diferite lungimi de undă sau culori și, din moment ce elementele chimice și compușii absorb și emit radiaţie electromagnetică având o lungime de undă specifică, se poate deduce compoziția atmosferei exoplanetelor.

Secretele lui Kelt-9 b

În studiul nostru am folosit datele publice disponibile, obţinute de telescopul spațial Hubble, pentru a obține spectrul de eclipsă al acestei planete.

Ulterior am folosit un software open-source pentru a verifica prezența unor molecule și am constatat existența a numeroase metale. Această descoperire este interesantă deoarece s-a crezut că aceste molecule nu ar putea exista la temperaturi atât de mari, ele fiind descompuse în constituenţi mai mici.

Ca urmare a atracției gravitaționale a stelei sale gazdă, Kelt-9 b este” blocată mareic”, ceea ce înseamnă că aceeași față a planetei este îndreptată permanent către steaua gazdă. Acest lucru are ca rezultat o diferență mare de temperatură între zi şi noapte pe suprafața planetei.

Deoarece observațiile din timpul unei „eclipse” au permis observarea regiunilor diurne mai fierbinţi, am sugerat că moleculele observate ar putea fi, de fapt, antrenate de procese dinamice din regiunile mai reci, cum ar fi cele din zonele nocturne sau din adâncurile planetei. Aceste observații sugerează că atmosferele acestor lumi extreme sunt guvernate de procese complexe care sunt puţin înțelese.

Planeta Kelt-9 b orbitând în jurul stelei sale gazdă. Imagine artistică. Credit: NASA/JPL-Caltech

Kelt-9 b este interesantă datorită orbitei sale înclinate de aproximativ 80 de grade. Aceasta sugerează un trecut violent, cu posibile coliziuni, valabil de altfel pentru multe alte planete din această clasă. Cel mai probabil este că această planetă s-a format departe de steaua ei gazdă și că ciocnirile cu alte corpuri au determinat migrarea acesteia către steaua ei.

Teoria susţine că planetele mari tind să se formeze departe de steaua lor gazdă în discurile protostelare, care dau naștere sistemelor solare, captând materiale solide și gazoase în timp ce migrează spre steaua lor gazdă.

Deocamdată nu știm detalii despre cum se întâmplă acest lucru. Așadar, este crucial să studiem şi să clasificăm cât mai multe dintre aceste lumi pentru a confirma diferite scenarii și a înțelege mai bine istoria lor în ansamblu.

Misiuni viitoare

Observatoarele astronomice, precum Telescopul Spațial Hubble, nu au fost concepute pentru a studia atmosferele exoplanetelor.

Următoarea generație de telescoape spațiale, cum ar fi Telescopul spațial James Webb și misiunea Ariel, vor avea capacități și instrumente special destinate pentru observarea riguroasă a atmosferelor exoplanetelor. Acestea ne vor permite să răspundem la multe dintre întrebările fundamentale legate de planetele de tipul „Jupiter fierbinte”.

Această nouă generație de telescoape va analiza, de asemenea, atmosfera exoplanetelor mici, o categorie de obiecte pe care instrumentele actuale nu o pot studia în detaliu. În special, misiunea Ariel, care se așteaptă să fie lansată în anul 2029, va observa aproximativ 1.000 de exoplanete pentru a aborda unele dintre cele mai fundamentale întrebări din știința planetelor.

Ariel va fi, de asemenea, prima misiune spațială care va analiza, în detaliu, atmosfera acestor lumi. În sfârșit, ea ar trebui să ne spună din ce sunt formate aceste exoplanete și cum s-au format și au evoluat. Aceasta va fi o adevărată revoluție în ştiinţa planetară.

Traducere după How can some planets be hotter than stars? We’ve started to unravel the mystery