Da astronomer oppdaget den første eksoplaneten rundt en vanlig stjerne for to tiår siden, glede de seg og forvirrede samtidig: Den åpne planeten 51 Pegasus b var halvannen gang mer massiv enn Jupiter, men samtidig var den ekstremt nær stjernen: den gjør en revolusjon på bare 4 dager, som mye raskere enn Merkur, planeten nærmest solen, gjør en revolusjon på 88 dager. Teoretikere som studerer planetdannelse, så ikke muligheten for planetdannelse og vekst i en slik nærhet til en nyfødt stjerne. Kanskje var dette et unntak fra regelen, men snart ble flere flere varme Jupitere oppdaget, som fikk sammenføyning med andre rare planeter: i langstrakte og sterkt skråbaner, og til og med roterende mot moderens stjerners rotasjonsretning.
Jakten på eksoplaneter har akselerert siden lanseringen av Kepler-romteleskopet i 2009, og de 2500 verdenene den oppdaget har lagt til statistikk for å studere eksoplaneter - og dette har gitt enda mer forvirring. Kepler oppdaget at den vanligste typen planet i galaksen befinner seg et sted mellom Jorden og Neptun - superjordene som ikke har noen analoger i solsystemet vårt og ble ansett som nesten umulige. Moderne bakkebaserte teleskoper fanger lys direkte fra eksoplaneter, i stedet for å oppdage deres tilstedeværelse indirekte, slik Kepler gjør, og disse dataene er også uvanlige. Kjempeplaneter med masse flere ganger massen til Jupiter ble oppdaget, avstanden derfra til foreldrestjerner er dobbelt så stor avstand fra Neptun til sola - det vil si at de er i en annen region,der teoretikere anså fødselen av store planeter som umulige.
"Det var tydelig fra starten av at observasjonene ikke var veldig teoretiske," sier Bruce McIntosh, fysiker ved Stanford University i Palo Alto, California. "Det har aldri vært et øyeblikk da teori har bekreftet observasjonen."
Teoretikere prøver å lage scenarier for å "vokse" planeter på steder som en gang ble ansett som forbudt. De ser for seg at planeter kan danne seg i mye mer mobile og kaotiske miljøer enn de noen gang hadde forestilt seg, med begynnende planeter som driver fra sirkulære baner nær stjernen til mer langstrakte og fjerne. Men den stadig voksende dyrehagen med eksotiske planeter som forskere observerer, betyr at hver nye modell er foreløpig. "Hver dag kan du oppdage noe nytt," sier astrofysiker Thomas Henning fra Institute of Astronomy. Max Planck i Heidelberg, Tyskland. "Det er som å oppdage nye felt under gullrushet."
Den tradisjonelle modellen for dannelse av stjerner og deres planeter stammer fra 1700-tallet, da forskere antydet at en sakte roterende sky av støv og gass kunne kollapse under sin egen tyngdekraft. Det meste av materialet danner en ball, som trekker seg sammen, varmer opp og blir en stjerne når sentrum blir tett og varmt nok til å starte termonukleære reaksjoner. Tyngdekraft og kantet momentum samler det gjenværende materialet rundt protostaren til en flat skive med gass og støv. Når du beveger deg langs denne disken, kolliderer materialpartikler og "fester seg sammen" av elektromagnetiske krefter. I løpet av flere millioner år vokser partiklene til korn, småstein, steinblokker og til slutt kilometerlange planetesimaler.
I dette øyeblikket overtar tyngdekraften, kollisjoner av planetesim oppstår og rommet er fullstendig renset for støv, som et resultat av at flere fullverdige planeter dannes. Når dette skjer i den indre delen av disken, blir mesteparten av gassen fra den enten absorbert av stjernen eller blåst bort av dens stjernevind. Mangelen på gass gjør at de indre planetene forblir stort sett steinete, med tynne atmosfærer.
Denne vekstprosessen, kjent som kjernetilskudd, er raskere i de ytre delene av disken, der temperaturene er lave nok til å fryse vann. Is kompletterer i dette tilfellet støv, noe som gjør at protoplaneter kan konsolideres raskere. Resultatet er en solid kjerne som er fem til ti ganger tyngre enn jorden - raskt nok til at den ytre regionen av den protoplanetære disken forblir rik på gass. Under påvirkning av tyngdekraften "trekker" kjernen på seg selv gassen fra disken, og skaper en gassgigant som Jupiter. Forøvrig er et av målene til Juno-romfartøyet, som fløy til Jupiter tidligere denne måneden, å bestemme om planeten virkelig har en massiv kjerne.
Salgsfremmende video:
Dette scenariet skaper et planetsystem som ligner vårt: små steinete planeter med en tynn atmosfære ligger nær stjernen; det er en gassgigant som Jupiter rett utenfor snølinjen (der temperaturen er kald nok til at vann fryser), og andre giganter dukker gradvis opp på større avstander og de viser seg å være mindre fordi de beveger seg saktere i banene sine og trenger mer på tide å samle det protoplanetære diskmaterialet. Alle planetene forblir omtrent der de dannet seg, og beveger seg i sirkulære baner i samme plan. Hyggelig og pent.
Men oppdagelsen av varme Jupiters antydet at noe var alvorlig inkonsekvent med teorien. En planet med en bane som bare tar noen dager å bane er veldig nær en stjerne, som begrenser mengden materiale den kan danne. Det virket uforståelig at en gassgigant kunne dannes på et slikt sted. Og den uunngåelige konklusjonen er at en slik planet burde ha dannet seg betydelig lenger fra stjernen.
Teoretikere har kommet med to mulige mekanismer for å stokke planetdekket. Den første, kjent som migrasjon, krever mye materiale for å forbli på disken etter at kjempeplaneten har dannet seg. Planetens tyngdekraft forvrenger disken, og skaper områder med høyere tetthet, som igjen utøver en gravitasjonseffekt på planeten, noe som får den til å gradvis drive innover mot stjernen.
Det er støttende bevis for denne ideen. Naboplaneter befinner seg ofte i en stabil gravitasjons "bunt" kjent som orbital resonance - det vil si at lengdene på banene deres er relatert som små heltal. Når Pluto for eksempel snur seg rundt sola to ganger, har Neptune tid til å snu seg nøyaktig tre ganger. Det er høyst usannsynlig at dette skjedde ved et uhell, så det sannsynligvis skjedde under vandring, og dermed ga planetene ytterligere gravitasjonsstabilitet. Migrasjon tidlig i solsystemets historie kunne forklare andre oddititeter, inkludert den lille størrelsen på Mars og asteroidebeltet. For å forklare dem kom teoretikere frem med "stor nedbøyning" -hypotesen, der Jupiter opprinnelig dannet seg nærmere Solen, hvoretter den drev innover nesten til jordens bane, og samlet materiale og derved "fratok" Mars den.og etter dannelsen av Saturn, under påvirkning av tyngdekraft og gasstrykk i den indre regionen av disken, kom den tilbake, underveis "som drev" restene av støv og planetesimaler inn i asteroidebeltet.
Noen modellerere synes slike scenarier er unødvendig kompliserte. "Jeg tror virkelig på Occam's Razor ('Det som kan gjøres med færre [antagelser] bør ikke gjøres med mer,' - ca. Transl.)," Sier Greg Laughlin, astronom ved University of California, Santa Cruz). Laughlin hevder at planetene mest sannsynlig dannet seg på samme sted der vi ser dem nå. Han sier at det kan dannes store planeter i nærheten av stjernen deres hvis de protoplanetære diskene inneholder mye mer materiale enn tidligere antatt. Noe planetarisk bevegelse kan fremdeles forekomme - nok til å forklare for eksempel resonanser, men "dette er den siste finpusse, ikke hovedrørledningen," sier Laughlin.
Men andre teoretikere sier at det rett og slett ikke kan være nok materiale til å danne planeter så nær stjernene, for eksempel 51 Pegasus b og andre som er enda nærmere. "De kunne ikke ha dannet seg i deres sted," sier fysiker Joshua Wynn fra Massachusetts Institute of Technology. Og en betydelig andel eksoplaneter som er i avlange, skråstilte eller til og med reverserte baner ser også ut til å innebære en form for stokking av planetarisk system.
For å forklare disse oddititetene siterer teoretikerne et "nærvåpen" - tyngdekraft, ikke beroligende migrasjon. Den materialerike protoplanetære disken kunne lage mange planeter nær hverandre, hvor tyngdekraften kunne få banene til noen av dem nær stjernen, vippe og til og med kaste planeten helt ut av systemet. En annen potensiell ødelegger er en ledsagerstjerne i en avlang bane. Det meste av tiden er det for langt borte til å ha en betydelig innvirkning på planetsystemet, men i nærheten av det kan det "stokke" banene til planetene betydelig. Eller, hvis forelderstjernen er medlem av en tettstrikket stjerneklynge, kan nabostjernen komme nær nok til å stokke om banene sine eller til og med "ta tak i en eller flere planeter for seg selv."Det er mange måter å knuse et planetarisk system på," sier Wynn.
En uventet konklusjon ble gjort av forskere som studerte planetene som ble funnet av Kepler - det viste seg at 60% av superjordene som kretser rundt sollignende stjerner, er vesentlig forskjellige fra det vi observerer i solsystemet, og krever revurdering av eksisterende teorier. De fleste superjordene, som stort sett er solide med små volumer av gass, følger bane nærmere stjerner enn Jorden, og ofte har stjerner mer enn en slik planet. For eksempel har Kepler-80-systemet fire superjordar, alle med bane på 9 dagar eller mindre. Konvensjonell teori holder fast at akkresjonen i en snølinje er for treg til å produsere noe så stort. Men superjordene finnes sjelden i resonante baner, noe som antyder at de ikke migrerte, men dannet seg umiddelbart der vi finner dem.
Forskere kommer med nye måter å løse dette problemet på. En idé er å fremskynde akkresjon ved å bruke en prosess som kalles rullesteinakkrement. Den gassrike platen har stor effekt på gjenstander av rullesteinsstørrelse. Dette bremser dem vanligvis ned, og tvinger dem til å drive nærmere stjernen. Men jo nærmere de er stjernen, jo høyere er tettheten, og som et resultat øker dannelsen av planetesimaler med avtagende avstand til stjernen. Men akselerert akkresjon og en gassrik disk skaper et eget problem: i så fall bør superjordene få en tykk atmosfære når de overskrider en viss størrelse. "Hvordan stopper du dem fra å bli gassgiganter?" spør astrofysiker Roman Rafikov fra Institute for Advanced Study i Princeton, New Jersey.
Eugene Chang, en astronom ved University of California, Berkeley, sier det ikke er behov for å fremskynde akkresjonen så lenge disken er mettet og rik på gass. I følge ham kunne den indre disken 10 ganger tettere enn den som dannet solsystemet, lett skape en eller flere superjordene som vil vises i de siste dagene av den protoplanetære disken, når mesteparten av gassen allerede har spredt seg.
Noen foreløpige observasjoner fra det store mm / submillimeter-ALMA-teleskopet i Nord-Chile støtter dette forslaget. ALMA kan visualisere radioutslipp fra støv og grus i protoplanetære disker, og de få diskene den hittil har studert ser ut til å være relativt massive. Men observasjonene er ennå ikke den endelige sannheten, fordi ALMA ennå ikke er i full drift, og den kan bare brukes til å observere de ytre delene av diskene, og ikke regionene der superjordene befinner seg. "Vi vil kunne se de indre områdene når ALMA kan bruke alle 66 antenner," sier Chang.
Chang har også en forklaring på Keplers andre oppdagelse: superpuffer, en sjelden og like problematisk type planeter som er lettere enn superjordene, men som virker enorme på grunn av deres frodige atmosfære som utgjør 20% av massen. Slike planeter antas å danne seg på en gassrik disk. Men på den indre disken kan ikke et slikt volum varm gass holdes av kreftene i protoplanets svake tyngdekraft, så den kalde og tette gassen til den ytre disken er et mer sannsynlig sted for opprinnelsen til slike planeter. Chang tilskriver sine nær-til-stjerners bane til migrasjon, et påstand støttet av det faktum at superpuffs ofte blir fanget i resonante baner.
Til nå har mesteparten av oppmerksomheten innen eksoplanettforskning fokusert på de indre delene av planetariske systemer, opp til omtrent en avstand som tilsvarer Jupiters bane, av den enkle grunn at alle eksisterende metoder for å oppdage eksoplaneter ikke tillater dem å bli funnet lenger enn til stjernen. To hovedmetoder - måling av vibrasjoner av stjerner forårsaket av gravitasjonspåvirkning fra planeter, og måling av periodisk mørkgjøring av en stjernes skive når planeter går gjennom den - lar deg finne store planeter i tette baner. Det er ekstremt vanskelig å ta bilder av planetene i seg selv fordi det svake lyset nesten drukner ut av lys fra stjernene, som kan være en milliard ganger lysere.
Men ved å få mest mulig ut av verdens største teleskoper, kunne astronomer se flere planeter. Spectropolarimetric High Contrast System (SPHERE) og Twin Planet Imager (GPI), lagt til store teleskoper i Chile, er utstyrt med komplekse masker kalt koronagraf for å blokkere stjernelys. Derfor er det ikke overraskende at planeter langt fra stjernene deres er de enkleste målene for dem.
Et av de tidligste og mest slående planetariske systemene som er oppdaget ved direkte avbildning, er det rundt HR 8799, der fire planeter er lokalisert fra stjernen i avstander fra Saturns bane til mer enn det dobbelte av Neptuns bane. Det mest fantastiske er at alle fire planetene er enorme, mer enn fem ganger så mye som Jupiter. I følge teorien beveger planetene i så fjerne baner seg så sakte at de skal vokse med en snegles hastighet og akkumulere masser, betydelig mindre enn Jupiters når gassen og støvskiven forsvinner. Og likevel, deres "gode" sirkulære baner antyder at de umiddelbart dannet seg på dem, og ikke migrerte til dem fra områder nærmere stjernen.
Slike fjerne giganter gir støtte til den mest radikale teorien, der noen planeter dannes ikke gjennom akkresjon, men gjennom den såkalte gravitasjonsinstabiliteten. Denne prosessen krever en gassrik protoplanetær disk som splitter seg til "klumper" under sin egen tyngdekraft. Disse gassansamlingene til slutt kombineres og kollapser i gassplaneter uten å danne en solid kjerne. Modellene antar at mekanismen bare vil fungere under visse omstendigheter: gassen må være kald, den må ikke rotere for raskt, og den komprimerte gassen må kunne fjerne varme effektivt. Kan denne teorien forklare planetene rundt HR 8799? Rafikov sier at bare de to ytre planetene er langt nok og kalde. "Det er fremdeles et ganske kryptisk system," sier han.
I det siste har radioteleskopobservasjoner av protoplanetære disker gitt en viss støtte for teorien om gravitasjonsinstabilitet. Følsomme for kald gass, teleskoper fant plater "sprutet" med ansamlinger av gass. Men de siste bildene fra ALMA maler et annet bilde. ALMA er følsom ved kortere bølgelengder, der støvkorn avgir i mellomplanet på disken, og bildene av stjernene HL Tauri i 2014 og TW Hydrae i år viste glatte symmetriske disker med mørke sirkulære "gap" som strekker seg langt utover banen til Neptune (se figuren nedenfor). “Det var en utrolig overraskelse. Platen var ikke kaotisk, den hadde en hyggelig, regelmessig, vakker struktur, sier Rafikov. Disse hullene, som tyder på planetene som gjorde dem,snakker tydelig til fordel for akkresjonsmodellen, som er et slag for talsmenn for gravitasjonsinstabilitetsmodellen.
Det er for tidlig å fortelle hva andre overraskelser GPI og SPHERE vil ha. Men regionen mellom de fjerne områdene av planetariske systemer og de nærliggende omgivelsene av stjerner med varme Jupiters og super-Earths forblir hardnakket utenfor rekkevidde: for nær stjernen for direkte visualisering, og for langt for indirekte metoder basert på svingninger eller mørkfarging av forelderstjernen. Som et resultat er det vanskelig for teoretikere å få et fullstendig bilde av hvordan eksoplanetære systemer ser ut. "Vi baserer oss på fragmentariske og ufullstendige observasjoner," sier Laughlin. "Akkurat nå er sannsynligvis alle forutsetninger gale."
Astronomer trenger ikke å vente lenge på nye data. NASA lanserer Exoplanet Imaging Satellite (TESS) neste år, og det forventes også at European Space Agency (ESA) lanserer en Exoplanet Characterization Satellite (CHEOPS). I motsetning til Kepler, som utforsket et bredt utvalg av stjerner bare for å identifisere eksoplaneter, vil TESS og CHEOPS fokusere på stjerner nær solen, slik at forskere kan studere trekkende terra incognita (ukjente land - ca. Transl.). Og siden målstjernene er i nærheten av solsystemet, bør bakkebaserte teleskoper være i stand til å estimere massen til de oppdagede planetene, slik at forskere kan beregne densiteten og vite om de er faste eller gassformige.
James Webb-teleskopet, som lanseres i år, vil kunne gå enda lenger ved å analysere lyset fra en stjerne som går gjennom eksoplanettens atmosfære for å bestemme sammensetningen. "Komposisjon er en viktig nøkkel til å forme," sier Macintosh. For eksempel kan et søk etter tunge elementer i superjordiske atmosfærer indikere at det kreves en disk rik på slike elementer for rask dannelse av planetariske kjerner. Og i det neste tiåret vil romfartøy som TESS og CHEOPS bli med på jakten på eksoplaneter, sammen med en ny generasjon enorme bakkebaserte teleskoper med speil 30 meter eller mer over.
Hvis de gamle teoriene til det siste hjalp modellene med å holde seg på beina, og under press fra nye funn, begynner dette fundamentet å smuldre, og forskere må svette for å holde seg på beina. "Naturen er smartere enn teoriene våre," sier Rafikov.
EGOR MOROZOV
