Pary zbuntowanych planet wędrujących po Mgławicy Oriona – Świat Fizyki

Pary zbuntowanych planet wędrujących po Mgławicy Oriona – Świat Fizyki

Znacznik czasu: 12 października 2023 9:22

Artystyczna wizja zbuntowanej planety, która wygląda jak ciemny obiekt z paskami na jasnym tle gwiazd
Nieuczciwe działania: planety o masach Jowisza odkryto już wcześniej, unoszące się swobodnie bez gwiazdy macierzystej, ale nie w tak dużych ilościach i nigdy jako pary podwójne, aż do obecnego badania. (Dzięki uprzejmości: NASA/JPL-Caltech)

Dzięki nowym obserwacjom za pomocą Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST) odkryto ponad 500 swobodnie unoszących się obiektów o masach planetarnych wędrujących przez Mgławicę Oriona. Co najdziwniejsze, około 40 z tych nowo odkrytych obiektów w Gromadzie Trapezowej mgławicy występuje w szerokich parach podwójnych, co zakłóca oczekiwania co do sposobu formowania się tak zwanych „planet zbójeckich”.

Swobodnie unoszące się obiekty o masach planetarnych, które nie krążą wokół gwiazd, odkryto już wcześniej w obszarach gwiazdotwórczych, ale nigdy w takiej liczbie jak obserwowana przez JWST Kamera bliskiej podczerwieni (NIRCam). Obiekty te są widoczne, ponieważ są jeszcze młode i świecą ciepłem powstającym. Z biegiem czasu ostygną i znikną z pola widzenia.

Istnieją dwie hipotezy dotyczące powstawania takich swobodnie unoszących się planet. Po pierwsze, powstają one jak gwiazdy, zapadając się i kondensując bezpośrednio z obłoku molekularnego tworzącego gwiazdy. Drugim jest to, że powstają one w wyniku akrecji rdzenia na orbicie wokół młodych gwiazd, a później zostają wyrzucone przez grawitacyjne siły pływowe i rezonanse.

Tajemnica JuMBO

W przypadku większości z 540 obiektów o masach planetarnych znalezionych w Mgławicy Oriona „prawie na pewno będzie to połączenie obu [procesów]” – mówi Samuela Pearsona, pracownik naukowy Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA) i główny autor jeszcze nie zrecenzowanego artykułu przeddruk na temat nowych obserwacji.

Jednakże około 40 szerokich plików binarnych – 9% całości – nie pasuje do tego obrazu. Pearson nazywa je JuMBO, czyli Obiektami Podwójnymi Masy Jowisza, i stanowią one tajemnicę.

Głównym problemem, wyjaśnia Pearson, jest masa JuMBO. Modele przewidują, że minimalna masa, jaką można uformować bezpośrednio z obłoku molekularnego, jest trzykrotnie większa od masy Jowisza. Ten minimalny limit wynika z tego, że mniejsze obiekty lepiej zatrzymują ciepło, co zapobiega ich dalszemu kurczeniu się. Można zatem oczekiwać, że mniejsze ciała o masach planetarnych (w tym najmniejszy obiekt w obserwacjach JWST, który ma około 0.6 masy Jowisza) zamiast tego uformowały się w wyniku akrecji jądra – to znaczy od dołu do góry, jak Ziemia – i zostały wyrzucone od ich systemu pochodzenia.

„Ale teraz problem polega na tym, że spotykamy je parami” – mówi Pearson Świat Fizyki. „Jak do cholery to się dzieje?”

Scenariusze powstawania planet

Póki co na stole leżą dwie opcje. Po pierwsze, funkcja masy początkowej, opisująca rozkład mas, z którymi rodzą się gwiazdy, rozciąga się na masy znacznie mniejsze, niż ktokolwiek przypuszczał. Drugim jest to, że te JuMBO są w jakiś sposób wyrzucane z układów planetarnych.

Chociaż nie ma solidnych modeli wyrzucania pary binarnej, pochodzi z jednego z możliwych wyjaśnień Rozalba Perna Uniwersytetu Stony Brook wraz z Yihan Wang i Zhaohuan Zhu Uniwersytetu Nevada w Las Vegas, oba w USA. W odrębny preprintproponują model, w którym dwie gigantyczne planety krążące w dużych odległościach od swojej gwiazdy mogą zostać wyrzucone, jeśli zdarzy się, że ustawią się w jednej linii w tym samym czasie, gdy układ doświadczy bliskiego spotkania z pobliską gwiazdą.

Perna i Wang zwracają uwagę, że w modelach powstawania planet gigantyczne planety mogą łączyć się bezpośrednio z dysku planetotwórczego w odległości ponad 50 jednostek astronomicznych (czyli 50 razy większej niż odległość Ziemia-Słońce) od swojej gwiazdy.

„W naszym scenariuszu JuMBO wolą formować się z układów planetarnych z dwiema gigantycznymi planetami, których półosie wielkie znajdują się blisko siebie” – opowiadają Wang i Perna Świat Fizyki. „Na przykład, jeśli układ planetarny jest szeroki, najbardziej prawdopodobną konfiguracją jest gigantyczna planeta w odległości około 100 AU i inna gigantyczna planeta w odległości 70 AU”.

Wpychanie do nowej domeny

W papier opublikowane w 2022 roku, Aleks Scholz z Uniwersytetu St Andrews w Wielkiej Brytanii wraz ze współpracownikami przewidzieli, że JWST będzie w stanie wykryć znaczną liczbę planet swobodnych o małej masie w młodych gromadach gwiazd. Scholz twierdzi, że nowe odkrycia w Mgławicy Oriona uzasadniają ten wniosek.

„Te nowo odkryte obiekty o masach planetarnych są naprawdę ekscytujące – jest ich zaskakująco dużo, a duża liczba układów podwójnych jest zupełnie nieoczekiwana” – mówi Świat Fizyki. „Tak się dzieje, gdy wchodzisz do nowej domeny: znajdujesz nieoczekiwane rzeczy”.

Na razie naszym zadaniem jest zdobycie większej ilości danych. Pearson i jego współautor Marka McCaughreana, który jest starszym doradcą ESA ds. nauki i eksploracji, chce ponownie przyjrzeć się JuMBO w ramach przyszłego badania, tym razem z wykorzystaniem JWST Spektrometr bliskiej podczerwieni (NIROSpec). Obserwacje te powinny potwierdzić, że rzeczywiście mają one masę planetarną, dostarczając szczegółów dotyczących ich temperatury, grawitacji powierzchniowej i składu atmosfery. Poza tym Pearson i McCaughrean planują szukać obiektów o masach planetarnych w młodej gromadzie gwiazd NGC 2244, która powstała w Mgławicy Rozeta i znajduje się 5 lat świetlnych od nas, w gwiazdozbiorze Jednorożca. Gwiazdy w NGC 000 są upakowane mniej gęsto niż gwiazdy w Trapezie, mówi Pearson, co oznacza, że ​​szanse na spotkania gwiazd wyrywające planety z orbit są mniejsze.

„Jest o wiele mniej prawdopodobne, że stanie się to w naprawdę rzadkich regionach, więc jeśli nagle przestaniemy widzieć JuMBO, będzie to niejasne, jeśli chodzi o sposób, w jaki się one tworzą” – wyjaśnia.

Choć niewiele wiadomo o tych nietypowych obiektach o masach planetarnych, Pearson twierdzi, że w naszej Drodze Mlecznej może być ich więcej niż gwiazd. Nasuwa się pytanie, jak je zdefiniować: czy są to planety, subbrązowe karły, czy coś innego? Biorąc pod uwagę już niewyraźne granice między tymi kategoriami, może to nie mieć znaczenia, a Pearson unika takich dyskusji.

„Sposób, w jaki próbujemy je zdefiniować, to świetny sposób na wywołanie kłótni” – mówi ze śmiechem.

Znak czasu:

Więcej z Świat Fizyki