Czy mega-Ziemie naprawdę istnieją?

Masa niektórych planet skalistych może być zawyżana przez aktywność ich gwiazd macierzystych. Nowe badanie sugeruje, że „mega-Ziemie” mogą być lżejsze, niż wskazują pomiary astronomiczne.

„Mega-Ziemie” i granice masy planet skalistych

.W ramach nowego badania naukowcy z McGill University odkryli, że niektóre z najmasywniejszych planet skalistych, jakie dotąd odkryto, mogą w rzeczywistości być lżejsze, niż wskazują pomiary. Tak zwane „mega-Ziemie”, czyli światy o masie przekraczającej około 10 mas naszej planety, mogą być jedynie pozornie tak duże z powodu aktywności swoich gwiazd macierzystych. Badanie zostało opublikowane w serwisie arXiv.

Jak tłumaczą astronomowie, planety zaczynają tworzyć gazową otoczkę, gdy ich promień osiąga około 1,5–1,75 promienia Ziemi, co odpowiada masie rzędu 4–5 mas naszej planety. Na tym etapie przyciągają gaz z otaczającego je dysku, przestając być obiektami zbudowanymi wyłącznie ze skał. Teoretycznie jednak górna granica ich masy może być znacznie wyższa. Symulacje wskazują zarazem, że planeta zbudowana wyłącznie ze skał raczej nie osiągnie masy większej niż około 10 mas Ziemi. Grawitacja tak dużych światów powinna przyciągnąć z otaczającego je dysku znaczne ilości gazu, który utworzyłby grubą otoczkę wokół nich.

Badacze odkryli jednak kilka planet, które przekraczały ten próg, a jednocześnie miały dużą gęstość i nie posiadały rozbudowanej otoczki gazowej. Jeśli ich właściwości zostały prawidłowo określone, musiały powstać w nietypowych okolicznościach. Mogły na przykład uformować się w wyniku zderzeń zachodzących już po zniknięciu dysku gazowego albo być pozbawionymi otoczek jądrami dawnych planet olbrzymów.

Aktywność gwiazd może zaburzać pomiary masy odległych światów

.Naukowcy rozważają również inne wyjaśnienie, związane z aktywnością gwiazd macierzystych. Masę planet określa się między innymi za pomocą metody prędkości radialnych (radial-velocity – RV), która pozwala mierzyć ruch gwiazdy wywołany przyciąganiem grawitacyjnym krążącej wokół niej planety. Silna aktywność magnetyczna obiektu macierzystego może jednak utrudniać uzyskanie dokładnych wyników.

Gdy plamy i jaśniejsze obszary na powierzchni gwiazdy pojawiają się w polu widzenia i z niego znikają w miarę jej obrotu, wywołują zmiany jej ruchu, które mogą przypominać te spowodowane grawitacyjnym oddziaływaniem planety. Te zakłócenia mogą zagłuszyć słaby sygnał pochodzący od niewielkiego świata, a niekiedy go wzmocnić. W rezultacie jego masa może zostać przeszacowana.

Osiem planet o nietypowych właściwościach

.Astronomowie postanowili sprawdzić, czy „mega-Ziemie” rzeczywiście istnieją. W tym celu przeanalizowali dane z katalogu NASA Exoplanet Archive, wybierając planety o promieniu mniejszym niż czterokrotność promienia Ziemi. Następnie uwzględnili wyłącznie obiekty, których masę zmierzono metodą prędkości radialnych. Po odrzuceniu światów, dla których pomiary masy były mało wiarygodne lub opierały się na pośrednich szacunkach, pozostały 333 obiekty.

Aby znaleźć obiekty o nietypowych właściwościach, badacze zestawili masę planet z ich rozmiarami. W ten sposób wyodrębnili osiem światów o rzadko spotykanych kombinacjach tych parametrów. Wszystkie miały masę przekraczającą około 10 mas Ziemi.

Cztery z nich charakteryzowały się gęstością typową dla planet skalistych. Były to WASP-84 c, TOI-1347 b, TOI-2322 c oraz HD 63433 b. Pozostałe cztery to gęste obiekty, które mogą zawierać wodę lub inne ciężkie substancje lotne (heavy volatiles), ale stosunkowo niewiele wodoru i helu. Należą do nich GJ 523 b, TOI-815 c, HD 18599 b oraz GJ 143 b.

Następnie badacze określili aktywność magnetyczną każdej z gwiazd macierzystych, analizując emisję w liniach widmowych zjonizowanego wapnia w ich atmosferach. Wybrali te linie, ponieważ są szczególnie wrażliwe na ogrzewanie chromosfery, czyli warstwy atmosfery gwiazdy, pod wpływem jej pola magnetycznego. Zjawisko to zwiększa natężenie emisji w centralnych częściach tych linii. Naukowcy przeanalizowali również krzywe blasku z teleskopu TESS, poszukując zmian jasności wywołanych przez plamy na powierzchni gwiazd. W miarę obrotu pojawiają się one w polu widzenia obserwatora i z niego znikają, powodując wahania jasności.

Wszystkie osiem gwiazd macierzystych okazało się aktywnych. Zdaniem naukowców prawdopodobieństwo znalezienia czterech skalistych „mega-Ziemi” wokół aktywnych gwiazd wynosiło około 1 proc. W przypadku całej ósemki było jeszcze mniejsze, stanowiąc jedynie ułamek procenta.

Astronomowie nie znaleźli również fizycznych przesłanek, by młode, aktywne gwiazdy miały sprzyjać powstawaniu takich planet. Uformowanie tak masywnego obiektu powinno raczej trwać dłużej, co przemawiałoby za częstszym występowaniem tych światów wokół starszych gwiazd.

Czy „mega-Ziemie” rzeczywiście istnieją?

.Na tej podstawie badacze uznali, że „mega-Ziemie” nie powinny występować szczególnie często wokół młodych gwiazd. Ich zdaniem powinny być rozłożone w miarę równomiernie wśród obiektów macierzystych o różnym wieku i poziomie aktywności, a nawet częściej występować w starszych układach.

Astronomowie wskazali również sygnały, których wiarygodność budziła wątpliwości. W przypadku trzech planet sygnał był zbyt słaby w stosunku do zakłóceń, by standardowa metoda analizy, zwana modelowaniem procesów gaussowskich (Gaussian process modeling), mogła wiarygodnie go odtworzyć.

W przypadku innych planet ich okresy orbitalne były zbliżone do okresów rotacji gwiazd macierzystych. Utrudniało to rozdzielenie sygnału pochodzącego od światów od zmian wywołanych aktywnością ich obiektów macierzystych.

Szczególnym przykładem była HD 63433 b. Jeden z zespołów badawczych oszacował masę tej planety na 37 mas Ziemi, podczas gdy dane zebrane przez inny wskazywały na około 21 mas Ziemi.

Zdaniem naukowców najbardziej prawdopodobnym wyjaśnieniem zawyżonych pomiarów masy jest wpływ aktywności gwiazd macierzystych. Problem ten może być szczególnie istotny w układach, w których okres ich rotacji jest zbliżony do okresu orbitalnego planety.

Badacze nie znaleźli również przekonujących dowodów na to, że planety skaliste mogą powstawać z masą przekraczającą 10 mas Ziemi. Zwracają przy tym uwagę, że aktywność gwiazd może zakłócać pomiary masy krążących wokół nich planet, obniżając wiarygodność uzyskiwanych wyników.

Astronomowie wskazują również regularne powtarzanie pomiarów prędkości radialnych w krótszych odstępach czasu. Pozwoliłoby to śledzić zmiany sygnału i dokładniej uwzględniać wpływ aktywności gwiazd. Podkreślają, że precyzyjne określenie masy planet ma kluczowe znaczenie, ponieważ błędna klasyfikacja tych obiektów mogłaby podważyć dotychczasowe teorie dotyczące ich powstawania.

Emil Gołoś