Većina zvijezda u našoj galaksiji ima planete. Najzastupljeniji su sub-Neptuni, planeti između veličine Zemlje i Neptuna. Izračunavanje njihove gustoće predstavlja izazov za znanstvenike: ovisno o metodi korištenoj za mjerenje njihove mase, ističu se dvije populacije, guste i manje guste. Je li to zbog promatračke pristranosti ili zbog fizičkog postojanja dvije različite populacije sub-Neptuna? Nedavni rad NCCR PlanetS, Sveučilišta u Ženevi (UNIGE) i Sveučilišta u Bernu (UNIBE) zagovara ovo drugo. Saznajte više u časopisu Astronomy & Astrophysics.

Egzoplaneti su obilni u našoj galaksiji. Najčešći su oni između radijusa Zemlje (oko 6.400 km) i Neptuna (oko 25.000 km), poznati kao "sub-Neptuni". Procjenjuje se da 30% do 50% zvijezda nalik Suncu sadrži barem jedan od ovih planeta.

Izračunavanje gustoće ovih planeta predstavlja znanstveni izazov. Za procjenu njihove gustoće prvo moramo izmjeriti njihovu masu i radijus. Problem: planeti čija je masa izmjerena TTV (Transit-Timing Variation) metodom su manje gusti od planeta čija je masa izmjerena metodom radijalne brzine, drugom mogućom metodom mjerenja.

„TTV metoda uključuje mjerenje varijacija u vremenu tranzita. Gravitacijske interakcije između planeta u istom sustavu će malo promijeniti trenutak u kojem planeti prolaze ispred svoje zvijezde,“ objašnjava Jean-Baptiste Delisle, znanstveni suradnik u Odjelu za astronomiju na UNIGE-ovom Fakultetu znanosti i koautor studije. „Metoda radijalne brzine, s druge strane, uključuje mjerenje varijacija u brzini zvijezde izazvanih prisutnošću planeta oko nje.“

Eliminiranje pristranosti
Međunarodni tim predvođen znanstvenicima iz NCCR PlanetS, UNIGE i UNIBE objavio je studiju koja objašnjava ovaj fenomen. On nije uzrokovan selekcijskom ili promatračkom pristranošću, već fizičkim razlozima. „Većina sustava mjerenih TTV metodom su u rezonanciji,“ objašnjava Adrien Leleu, docent na Odjelu za astronomiju na UNIGE-ovom Fakultetu znanosti i glavni autor studije.

Dva planeta su u rezonanciji kada je omjer između njihovih orbitalnih perioda racionalan broj. Na primjer, kada planet napravi dvije orbite oko svoje zvijezde, drugi planet napravi točno jednu. Ako su nekoliko planeta u rezonanciji, to formira lanac Laplaceove rezonancije. „Stoga smo se zapitali postoji li intrinzična veza između gustoće i rezonantne orbitalne konfiguracije planetarnog sustava,“ nastavlja istraživač.

Kako bi uspostavili vezu između gustoće i rezonancije, astronomi su prvo morali isključiti bilo kakvu pristranost u podacima rigorozno birajući planetarne sustave za statističku analizu. Na primjer, veliki planet male mase detektiran u tranzitu zahtijeva više vremena da bi bio detektiran u radijalnim brzinama. To povećava rizik od prekida promatranja prije nego što planet postane vidljiv u podacima radijalne brzine, a samim tim i prije nego što njegova masa bude procijenjena.

„Ovaj proces selekcije bi doveo do pristranosti u literaturi u korist većih masa i gustoća za planete karakterizirane metodom radijalne brzine. Budući da nemamo mjerenje njihovih masa, manje gusti planeti bi bili isključeni iz naših analiza,“ objašnjava Adrien Leleu.

Nakon što je ovo čišćenje podataka obavljeno, astronomi su pomoću statističkih testova uspjeli utvrditi da je gustoća sub-Neptuna manja u rezonantnim sustavima nego kod njihovih kolega u nerezonantnim sustavima, bez obzira na metodu korištenu za određivanje njihove mase.

Pitanje rezonancije
Znanstvenici sugeriraju nekoliko mogućih objašnjenja za ovu vezu, uključujući procese uključene u formiranje planetarnih sustava. Glavna hipoteza studije je da svi planetarni sustavi konvergiraju prema stanju lanca rezonancije u prvim trenucima svog postojanja, ali samo 5% ostane stabilno. Ostalih 95% postane nestabilno. Lanac rezonancije se tada razbije, generirajući niz „katastrofa“, poput sudara između planeta. Planeti se spajaju, povećavajući svoju gustoću, a zatim se stabiliziraju u nerezonantnim orbitama.

Ovaj proces generira dvije vrlo različite populacije sub-Neptuna: guste i manje guste. „Numerički modeli formiranja i evolucije planetarnih sustava koje smo razvili u Bernu tijekom posljednja dva desetljeća reproduciraju upravo ovaj trend: planeti u rezonanciji su manje gusti. Ova studija, štoviše, potvrđuje da je većina planetarnih sustava bila mjesto divovskih sudara, sličnih ili čak nasilnijih od onoga koji je dao povod našem Mjesecu,“ zaključuje Yann Alibert, profesor na UNIBE-ovom Odjelu za svemirska istraživanja i planetarne znanosti (WP) i suvoditelj Centra za svemir i habitabilnost te koautor studije.

Izvor: UNIVERSITY OF GENEVA