Hot Jupiters to jedne z najbardziej ekstremalnych planet w naszej galaktyce. Te gorące światy są tak masywne jak Jowisz, ale poruszają się bardzo blisko swoich gwiazd, kończąc orbitę w kilka dni, w przeciwieństwie do naszego Jowisza, który okrąża Słońce w około 4000 dni.

Naukowcy podejrzewają, że Hot Jupiters nie zawsze były takie gorące i mogły powstać jako „zimne Jowisze” w chłodniejszych, bardziej odległych częściach wszechświata. Jednak jak ewoluowały w gorące giganty, które obserwujemy dzisiaj, pozostaje wielkim pytaniem.

Astronomowie z MIT, Penn State University i innych instytucji odkryli „protoplastę” Hot Jupiters — młodą planetę w procesie stawania się Hot Jupiterem. Jej orbita dostarcza odpowiedzi na pytania dotyczące ewolucji tych planet.

Nowa planeta, oznaczona jako TIC 241249530 b, okrąża gwiazdę oddaloną o około 1100 lat świetlnych od Ziemi. Planeta ma bardzo „ekscentryczną” orbitę, co oznacza, że zbliża się bardzo blisko do gwiazdy, zanim się oddali, tworząc wąską, eliptyczną pętlę. Gdyby była częścią naszego układu słonecznego, zbliżyłaby się do Słońca 10 razy bliżej niż Merkury, zanim powróciłaby tuż za Ziemię i ponownie okrążyła. Naukowcy szacują, że ta planeta ma najbardziej ekscentryczną orbitę, jaką kiedykolwiek odkryto.

Orbita tej planety jest również wyjątkowa ze względu na jej „wsteczną” orientację. W przeciwieństwie do Ziemi i innych planet w naszym układzie, które orbitują w tym samym kierunku, co obrót Słońca, ta planeta porusza się w przeciwnym kierunku niż rotacja swojej gwiazdy.

Zespół przeprowadził symulacje dynamiki orbitalnej i odkrył, że wysoce ekscentryczna i wsteczna orbita są znakami, że planeta prawdopodobnie ewoluuje w Hot Jupiter, poprzez proces znany jako „migracja o wysokiej ekscentryczności” — proces, w którym orbita planety oscyluje i stopniowo zmniejsza się, gdy wchodzi w interakcję z inną gwiazdą lub planetą na znacznie szerszej orbicie.

W przypadku TIC 241249530 b badacze ustalili, że planeta okrąża gwiazdę główną, która sama okrąża gwiazdę wtórną, jako część układu podwójnego. Interakcje między dwiema orbitami — planety i jej gwiazdy — spowodowały, że planeta stopniowo zbliżała się do swojej gwiazdy z upływem czasu.

Obecnie orbita planety jest eliptyczna, a planeta potrzebuje około 167 dni, aby okrążyć gwiazdę. Badacze przewidują, że za miliard lat planeta przejdzie na znacznie ciaśniejszą, kołową orbitę, okrążając gwiazdę co kilka dni. Wtedy planeta w pełni ewoluuje w Hot Jupiter.

„Ta nowa planeta wspiera teorię, że migracja o wysokiej ekscentryczności powinna wyjaśnić część Hot Jupiters,” mówi Sarah Millholland, adiunkt fizyki w Kavli Institute for Astrophysics and Space Research w MIT. „Uważamy, że gdy ta planeta się formowała, była zimnym światem. A ze względu na dramatyczną dynamikę orbitalną, stanie się Hot Jupiterem za około miliard lat, z temperaturami rzędu kilku tysięcy kelwinów. To ogromna zmiana od miejsca, w którym zaczęła.”

Millholland i jej koledzy opublikowali swoje odkrycia dziś w czasopiśmie Nature. Jej współautorami są Haedam Im, student MIT, główny autor Arvind Gupta z Penn State University i NSF NOIRLab, oraz współpracownicy z wielu uniwersytetów, instytucji i obserwatoriów.

Radykalne sezony
Nowa planeta została po raz pierwszy zauważona w danych zebranych przez Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) NASA, misję prowadzoną przez MIT, która monitoruje jasność pobliskich gwiazd w poszukiwaniu „tranzytów”, czyli krótkich spadków jasności gwiazdy, które mogą sygnalizować obecność planety przechodzącej przed gwiazdą i tymczasowo blokującej jej światło.

12 stycznia 2020 roku TESS zarejestrował możliwy tranzyt gwiazdy TIC 241249530. Gupta i jego koledzy z Penn State ustalili, że tranzyt był zgodny z planetą wielkości Jowisza przechodzącą przed gwiazdą. Następnie uzyskali pomiary prędkości radialnej gwiazdy z innych obserwatoriów, które szacują chwianie się gwiazdy, czyli stopień, w jakim porusza się do przodu i do tyłu, w odpowiedzi na inne pobliskie obiekty, które mogą grawitacyjnie wpływać na gwiazdę.

Te pomiary potwierdziły, że planeta wielkości Jowisza okrąża gwiazdę i że jej orbita jest bardzo ekscentryczna, zbliżając planetę bardzo blisko do gwiazdy, zanim zostanie wyrzucona daleko.

Przed tym odkryciem astronomowie znali tylko jedną planetę, HD 80606 b, która uważana była za wczesnego Hot Jupitera. Ta planeta, odkryta w 2001 roku, do tej pory miała rekord największej ekscentryczności.

„Ta nowa planeta doświadcza naprawdę dramatycznych zmian w jasności gwiazdy podczas swojej orbity,” mówi Millholland. „Musi mieć naprawdę radykalne sezony i absolutnie spaloną atmosferę za każdym razem, gdy zbliża się do gwiazdy.”

Orbitalny taniec
Jak planeta mogła znaleźć się na tak ekstremalnej orbicie? I jak jej ekscentryczność mogłaby ewoluować w czasie? Aby się tego dowiedzieć, Im i Millholland przeprowadzili symulacje dynamiki orbitalnej planety, aby modelować, jak planeta mogła ewoluować przez swoją historię i jak mogłaby kontynuować przez setki milionów lat.

Zespół modelował grawitacyjne interakcje między planetą, jej gwiazdą i inną pobliską gwiazdą. Gupta i jego koledzy zaobserwowali, że dwie gwiazdy okrążają się nawzajem w układzie podwójnym, podczas gdy planeta jednocześnie okrąża bliższą gwiazdę. Konfiguracja dwóch orbit jest jak cyrkowy artysta, który obraca hula-hoop wokół talii, jednocześnie obracając inny hula-hoop wokół nadgarstka.

Millholland i Im przeprowadzili wiele symulacji, każdą z innymi warunkami początkowymi, aby zobaczyć, które warunki, kiedy uruchomione do przodu przez kilka miliardów lat, produkują konfigurację orbit planety i gwiazd, którą zespół Gupty zaobserwował dzisiaj. Następnie przeprowadzili najlepsze dopasowanie dalej w przyszłość, aby przewidzieć, jak system będzie ewoluował przez następne kilka miliardów lat.

Te symulacje wykazały, że nowa planeta prawdopodobnie jest w trakcie ewolucji w Hot Jupiter: Kilka miliardów lat temu planeta powstała jako zimny Jowisz, daleko od swojej gwiazdy, w regionie wystarczająco chłodnym, aby mogła skondensować się i uformować. Nowo powstała planeta prawdopodobnie okrążała gwiazdę po konwencjonalnej, kołowej orbicie. Ta konwencjonalna orbita jednak stopniowo rozciągała się i stawała się ekscentryczna, gdy doświadczała grawitacyjnych sił z powodu niezsynchronizowanej orbity swojej gwiazdy z inną, podwójną gwiazdą.

„To dość ekstremalny proces, w którym zmiany orbity planety są ogromne,” mówi Millholland. „To wielki taniec orbit, który odbywa się przez miliardy lat, a planeta po prostu podąża za nim.”

Symulacje pokazują, że za miliard lat orbita planety ustabilizuje się na bliskiej, kołowej orbicie wokół swojej gwiazdy.

„Wtedy planeta w pełni stanie się Hot Jupiterem,” mówi Millholland.

Obserwacje zespołu, wraz z symulacjami ewolucji planety, wspierają teorię, że Hot Jupiters mogą powstawać przez migrację o wysokiej ekscentryczności, proces, w którym planeta stopniowo przemieszcza się na miejsce poprzez ekstremalne zmiany w swojej orbicie w czasie.

„Jasne jest nie tylko z tego, ale także z innych badań statystycznych, że migracja o wysokiej ekscentryczności powinna wyjaśnić część Hot Jupiters,” zauważa Millholland. „Ten system podkreśla, jak niesamowicie zróżnicowane mogą być egzoplanety. To tajemnicze inne światy, które mogą mieć dzikie orbity, które opowiadają historię o tym, jak się tam znalazły i dokąd zmierzają. Dla tej planety jej podróż jeszcze się nie zakończyła.”

„Bardzo trudno jest złapać tych protoplastów Hot Jupiters 'na gorącym uczynku' podczas przechodzenia przez swoje super ekscentryczne epizody, więc bardzo ekscytujące jest znalezienie systemu, który przechodzi przez ten proces,” mówi Smadar Naoz, profesor fizyki i astronomii na Uniwersytecie Kalifornijskim w Los Angeles, który nie brał udziału w badaniu. „Wierzę, że to odkrycie otwiera drzwi do głębszego zrozumienia początkowej konfiguracji układów egzoplanetarnych.”

Nowe badania poszerzają zrozumienie, jak złożone relacje grawitacyjne między gwiazdami a planetami mogą kształtować ewolucję systemów planetarnych. Jest to klucz do odkrywania tajemnic powstawania i transformacji ciał niebieskich i może dostarczyć ważnych informacji na temat rozwoju egzoplanet, które mogą być odpowiednie dla życia. W kontekście szerszych badań kosmosu, odkrycia takie jak TIC 241249530 b pomagają nam lepiej zrozumieć nasz własny układ słoneczny i jego miejsce w historii galaktycznej.

Źródło: Massachusetts Institute of Technology