A Kepler-36 azt mutatja, hogy a bolygórendszerek kevésbé kiszámíthatók, mint gondoltuk

Együttműködés Brandon Weigel-lel

Az exoplanetológia korai éveiben a csillagászok csak egy többbolygó-rendszerről tudtak: a Naprendszerről. Természetesen voltak szimulációk és modellek, de az 1990-es évek során a modellek mögött meghúzódó elmélet elsősorban saját bolygórendszerünkre épült. Még más adatpont nélkül is ésszerű feltételezésnek tűnt, hogy a legtöbb más exoplanetáris rendszer úgy van felépítve, mint a miénk: a host csillag közelében keringõ földi bolygók halmaza, a Jupiterhez és a Saturnhoz hasonló óriási bolygókkal, amelyek távolabb keringtek.

Ez a paradigma az 1990-es évek közepén morzsolódni kezdett, amikor a forró Jupiter 51 Pegasi b felfedezése a hagyományos bölcsesség fejére fordult. A hatalmas gáz óriásoknak egyszerűen nem szabad keringniük a csillagok közelében! Lassan, de biztosan bebizonyosodott, hogy a bolygórendszer felépítésére vonatkozó sok feltevésünk teljesen téves, mivel a bolygóképződésről szóló régóta tartott ötletek ellenpéldáit fedezzük fel.

A Kepler űrteleszkópnak köszönhetően tudunk olyan multiplanetáris rendszerekről, mint például a Kepler-62, amelynek öt megerősített exoplaneta van. Még ez a rendszer sem nagyon titokzatos - összehasonlítva másokkal, amelyeket találtunk. Kép jóváírása: NASA

Az egyik legutóbbi meglepetés a Kepler-36 szubgáns csillag körüli körüli körüli körüli körüli körüli körpályán jár. Ez nem egy bolygó, hanem kettő - a Kepler-36b és a Kepler-36c nevű egzoplanekta, a félvezető tengelyek 0,115 AU és 0,128 AU. Ez azt jelenti, hogy a két exoplaneta rendkívül közel vannak egymáshoz. Ez önmagában nem túl furcsa; bizarr az, hogy a két bolygónak meglehetősen azonosnak kell lennie, a protoplanetáris korong ugyanazon területéről kell származnia - de nem az. Az egyik sűrű, Föld-szerű földi bolygó, míg a másik mini-Neptun, hidrogén és hélium gáznemű borítékával.

Tehát hogyan alakulhat ki két teljesen eltérő egzoplaneta lényegében ugyanazon a ponton? Ez egy jó kérdés - és a válasz döntő jelentőségűnek bizonyul annak megértésében, hogy az exoplanetek miért olyan meglepően változatosak. Brandon Weigel-lel ezen a héten néhány dolgot átgondolok azon, hogy miért lehetnek sokkal változatosabbak az univerzum bolygórendszerei, mint gondolnánk.

Nehéz megtalálni a multiplanetáris rendszereket!

Kepler a galaxisnak csak egy kis részét vizsgálta meg, ám ez még mindig több ezer exoplanettát fedezett fel.

Kilenc éves küldetése során a Kepler űrteleszkóp több mint fél millió csillagot figyelt meg a Nap közelében. Kepler a tranzit módszerét alkalmazta az exoplanetek detektálására. Kis csillagfényt keresett egy csillag fényében. Ha ezek a zuhanások rendszeresen megismétlődtek, akkor erőteljes bizonyíték volt arra, hogy ezeket a Kepler és a csillag közötti pályán haladó exoplanet okozta. Általában az exoplanet jelöltekre vonatkozó adatok összefésülése olyan egyszerű, mint az áttetsző periódusokkal rendelkező merülések keresése; látja a tranzitok közötti különbségeket.

A több áttételes exoplanettal rendelkező csillagok esetében azonban a dolgok trükkösek. Ezek a rendszerek jellemzően elmozdult fénygörbéket hoznak létre, amelyek könnyen összetéveszthetőek más jelenségekkel, például csillagpontokkal -, vagy pedig a tranzitok elhagyhatók. A Kepler-36 esetében további probléma merült fel. A két exoplaneta meglehetősen közel áll egymáshoz, és így tranzit-időzítési variációkat vagy TTV-ket eredményeznek - a tranzitok várható idejében bekövetkező változások, amelyeket kölcsönös gravitációs vonzása okoz.

1. ábra, Carter és munkatársai. 2012. A távcső (felül) által előállított nyers fénygörbe tele van véletlenszerű merülésekkel, de van valami kifejezetten nem véletlenszerű munka során: két tranzit exoplaneta, Kepler-36b (bal alsó) és Kepler-36c (jobb alsó).

Kezdetben a Kepler által használt keresési algoritmus teljesen elmulasztotta a Kepler-36b-t, amely csak kb. 17% -kal engedi az esést, mint amit a Kepler-36c okozott. A második algoritmus, amely figyelembe veszi a potenciális TTV-ket, végül elkapta, és sokkal gazdagabb rendszert tárt fel, mint amit az csillagászok eredetileg gondoltak (Carter et al. 2012). Valójában ezek a TTV-k - messze nem fenyegetéstől - az információk kincstárkájává váltak. Általában a magányos exoplanett által végzett tranzitok csak a sugár becslését eredményezik, ám a TTV-k lehetővé tették a csapat számára, hogy modellezze a gravitációs erőket a bolygók közötti különféle próba-tömeghez - és így kiszámítsa azok tényleges tömegét, amely viszont ablakot biztosít az exoplanetekhez. kompozíciók.

A kezdeti megfigyelések a Kepler-36b és Kepler-36c esetében 4,45 és 8,08 Föld tömeget fedeztek fel, a megfelelő sugár pedig 1,486 és 3,669 Föld sugár. Egy egyszerű számítás 7,46 gramm / köbcentiméter - kissé sűrűbb, mint a Föld - és 0,89 gramm / köbcentiméter sűrűségre mutat, ami közel áll a Szaturnuszhoz. A következmények egyértelműek voltak: a Kepler-36b egy sziklás világ, vasban gazdag maggal, míg a Kepler-36c illékony anyagokban gazdag, és olyan légkörben tartja magát, amely főleg hidrogénből és héliumból áll.

3. ábra, Carter és munkatársai. 2012. Az adatpontok ábrázolása egy tömeg-sugáros diagramra azt mutatja, hogy a Kepler-36b az alsó részén sziklás világ, míg a Kepler-36c, a teteje közelében, gáznemű.

Ez meglepetés volt. Annak ellenére, hogy csak 0,01 AU-t keringtek egymástól, a belső világ majdnem kilencszer olyan sűrű volt, mint a külső társa. A bolygórendszer kialakulásának hagyományos modelljei azt sugallják, hogy ennek a hatalmas eltérésnek lehetetlennek kell lennie. A két egzoplaneta meglehetõsen hasonlítania kell egymáshoz. Az adatok azonban más történetet mondtak.

Az ősi probléma elsődleges megoldása

A csillagászok nem pusztították el teljesen a puzzle-t. Carter és munkatársai. röviden megvizsgálta a probléma két lehetséges megoldását: migráció vagy légköri erózió. A vándorlási hipotézis, amelyet eredetileg a forró Jupiter-ek váratlan elhelyezkedésének magyarázatára fejlesztettek ki, arra utal, hogy a protoplanetáris korongokba ágyazott exoplanetek drasztikusan átjuthatnak a külső régiókból a csillag körüli szoros pályára. Ezt kiválthat az árapály kölcsönhatásai a koronggal vagy más bolygókkal való perturbációk. Ebben a forgatókönyvben a Kepler-36c messzire képződött volna, ahol illékony anyagokat és jelentős hidrogén / hélium borítékot gyűjtött össze, mielőtt egy szűk pályára hajtott volna a host csillag körül.

A Lopez & Fortney 2013 a második lehetőség feltárására érdekelt. Bármilyen formájú és méretű protoplanetagok korai életük során nagy mennyiségű hidrogént és héliumot burkolhatnak, de a gazdagombikhoz közeli kicsi, kis tömegű bolygók gyakran elveszítik ezt a légkört, megtartva a nehézgázokat, például az oxigént és a nitrogént. Extrém ultraibolya (XUV) sugárzás ionizálja a gázt a felső légkörben és felmelegíti; ez a foto evaporációnak nevezett hatás világosabb molekulákon, például hidrogénnél és héliumon kifejezettebb, így a nagy XUV fluxusokat átélő testek meglehetősen gyorsan elveszítik ezeket a gázokat.

2. ábra, Lopez és Fortney, 2013

A Kepler-36b és a Kepler-36c azonban nagyon közel vannak egymáshoz, és ha nem történt migráció, akkor ugyanannyi XUV fluxust kellett volna kapniuk. Akkor mi okozhatja az atmoszféra nagy részének elvesztését? Lopez és Fortney azt sugallták, hogy az egyik egyszerű kezdeti feltétel más lehet: magtömeg. Lehetséges, hogy a Kepler-36b kezdetben kissé kevésbé hatalmas protoplanetaként indult, mint a szomszédja, vagyis ennek megfelelően kisebb menekülési sebessége volt, és így könnyebb volt elveszíteni a gázt.

A teoretikusok úgy döntöttek, hogy kipróbálják ezt. Nagyszámú exoplanet modellt modelleztek, amelyek a magtömeg és a kompozíciók széles skáláját fedik le. Miután a fotoeporációs veszteségeket szimulálták 7 milliárd év alatt - a rendszer korában -, paramétereket találtak, amelyek reprodukálják az exoplanetek származtatott tulajdonságait. A Kepler-36b 4,45 földtömeggel indult - nagyjából megegyezik a jelenlegi tömegével -, és drámai mennyiségű hidrogént és héliumot veszített el az első 100 millió év alatt. Két milliárd év után a hidrogén / hélium burkolata teljesen eltűnt.

1. ábra, Lopez és Fortney, 2013. A Kepler-36b és a Kepler-36c, bár ugyanazzal a kompozícióval kezdték el, teljesen eltérő módon fejlődtek ki a kialakulásuk első százmillió éve alatt.

A Kepler-36c viszont jelentős mennyiségű borítékot őrizte meg, miután 7,4-es Föld tömegű masszával kezdett. A tömegveszteséget is elvesztette a fényporlasztásnak köszönhetően, de sokkal lassabban és nem olyan drámaian. Ez hagyta, hogy egy Neptunusz-szerű tárgy legyen, hidrogén / hélium atmoszférával, amely sokkal különbözik a szomszédjától. Még ha a két bolygó ugyanazon összetételű - 22% hidrogén- és héliumösszetételű - kezdettel kezdődött, a magtömeg-különbség elegendő volt ahhoz, hogy két teljesen eltérő útra továbbítsák őket.

Mit jelent ez az exoplanetológia szempontjából?

A törzshipotézis rendkívül csábító. Ha igaz, ez azt jelenti, hogy a protoplanetáris lemezeken a véletlenszerűségek természetesen sokféleképpen képesek megformálni a rendszereket. Ezzel megszűnik a migráció - egy kényes folyamat - szükségessége az ilyen sűrűségbeli eltérés magyarázatához. Végül, bármilyen protoplanetáris rendszerben lehetővé kell tenni - ami szerencsés, mivel azóta ugyanazt a furcsa sűrűségű kontrasztot figyelték meg más exoplanetta-párokban (lásd Kipping et al., 2014). Jelenleg élen járhat a Kepler-36 rendszer magyarázata.

Függetlenül attól a mechanizmustól, amely ezen furcsa exoplanéták mögött áll, megmutatják, hogy rendkívül változatos egzoplanetek rendszerek létezhetnek. Nem azt akarom mondani, hogy a tömegek, a kompozíciók és a pályák bármilyen kombinációja létezhet, de továbbra is számítanunk kell az egzotikus rendszerek felfedezésére, amelyek nem lennének helytelenek például a Csillagok háborújában. Nem lenne kérdés, hogy a dzsungelvilágban élő fajok űrhajón ugornak-e, és néhány hónapon belül egy közeli kis gáz óriásig utaznak.

Még mindig érdekli, hogy milyen egzotikus rendszerekről beszélek? Brandon Weigel fantasztikus cikket írt az esetlegesen felfedezett exoplanetekről - óceáni világok, vasbolygók és még sok más. Nézd meg!