„Niemożliwy” układ planetarny zaskoczył naukowców. Skała tam, gdzie miały być tylko giganty

Odkrycie teleskopu kosmicznego CHEOPS wywraca do góry nogami dotychczasową wiedzę o formowaniu się planet. System LHS 1903 pokazuje, że natura potrafi zaskakiwać – skalista planeta znalazła się dokładnie w tym miejscu, gdzie według podręczników astronomii powinny krążyć wyłącznie masywne gazowe globy. To dowodzi, że dotychczasowe modele są zbyt uproszczone i nie uwzględniają wszystkich możliwych scenariuszy.

Nowo zbadany system wokół odległej gwiazdy pokazał planetę skalistą w miejscu, gdzie według podręczników powinna krążyć wyłącznie gazowa kolosalna kula.

Astronomowie muszą na nowo poukładać swoje modele powstawania planet. Dane z teleskopu kosmicznego CHEOPS ujawniły układ, który całkowicie burzy dobrze utrwalone scenariusze narodzin i ewolucji planet wokół gwiazd.

Rocky outsider: mała planeta w „zakazanej strefie”

W centrum historii stoi gwiazda LHS 1903, położona w gwiazdozbiorze Rysia. Wokół niej krążą cztery znane planety. Trzy z nich naukowcy sklasyfikowali jako gazowe olbrzymy, mniej lub bardziej przypominające Jowisza czy Saturna. Czwarta okazała się kompletnym zaskoczeniem.

Przeczytaj również: Słońce uciekło z serca Drogi Mlecznej. Bez tego Ziemia mogłaby nie przetrwać

Ta właśnie planeta, najdalsza od gwiazdy, ma skład typowy dla skalistych światów, takich jak Ziemia czy Mars. Tymczasem wszelkie obowiązujące dotąd modele podpowiadały, że w tak odległej, zimnej części dysku protoplanetarnego powstają przede wszystkim masywne globy o grubych gazowych otoczkach.

Skalista planeta ulokowana za dwoma gazowymi gigantami oznacza, że ten układ nie powstał zgodnie z dotychczas opisywaną sekwencją wydarzeń. Coś musiało przebiec zupełnie inaczej, niż zakładały modele.

Standardowy schemat był prosty: blisko gwiazdy – małe, skaliste planety z niewielką ilością lżejszych pierwiastków; dalej – olbrzymy, które wcześnie „wypiły” z dysku protoplanetarnego większość wodoru i helu. Nowa konfiguracja wokół LHS 1903 pokazuje, że natura potrafi zignorować ten podział.

Przeczytaj również: Kosmiczny „laser” sprzed 8 miliardów lat. Naukowcy wyjaśniają, co naprawdę zarejestrowano

Jak CHEOPS wychwycił tak nietypowy układ

Badania systemu LHS 1903 umożliwił teleskop kosmiczny CHEOPS (CHaracterising ExOPlanets Satellite), misja Europejskiej Agencji Kosmicznej zaprojektowana specjalnie do precyzyjnego mierzenia rozmiarów egzoplanet. Instrument śledzi nieznaczne spadki jasności gwiazdy, gdy planeta przechodzi na jej tle.

Klucz leży w dokładności. Niewielkie zmiany w głębokości i kształcie „dołków” w jasności pozwalają odtworzyć rozmiar planety, jej orbitę, a po połączeniu z innymi danymi – również typ struktury: gazowa kula, lodowy olbrzym czy raczej gęste, skaliste ciało.

Przeczytaj również: AI zmienia napęd rakiet: szybciej na Marsa dzięki inteligentnym silnikom

• Metoda tranzytów – CHEOPS obserwuje gwiazdę i rejestruje momenty, gdy planeta ją częściowo przysłania.
• Precyzja jasności – różnice rzędu tysięcznych części procenta mówią, jak duża jest planeta.
• Porównanie z masą – dzięki pomiarom prędkości radialnych określa się masę, a stosunek masy do objętości zdradza, czy dominuje skała, lód czy gaz.

W przypadku LHS 1903 naukowcy szybko zorientowali się, że czwarta planeta nie może być kolejnym gazowym olbrzymem. Jej rozmiar i gęstość sugerują ciało skaliste, choć znajduje się w rejonie, który teoretycznie powinien sprzyjać nagromadzeniu potężnej atmosfery.

Kiedy narodziny przychodzą za późno

Aby wyjaśnić, jak taka planeta mogła powstać, badacze zaproponowali nietypowy scenariusz czasowy. Kluczowy nie jest tylko dystans od gwiazdy, ale również moment narodzin względem życia dysku protoplanetarnego.

Na wczesnym etapie wokół młodej gwiazdy krąży gęsty dysk gazu i pyłu. Z czasem zaczyna się on rozpraszać – część materii gwiazda „zjada”, część wywiewa wiatr gwiazdowy i promieniowanie. Dla tworzących się planet otoczenie zmienia się z roku na rok.

Jeżeli masywne jądra powstają bardzo wcześnie, zanim dysk straci gaz, błyskawicznie obudowują się grubą warstwą wodoru i helu. Gdy podobnej wielkości zalążek uformuje się dopiero po rozrzedzeniu dysku, nie ma już z czego zbudować gigantycznej otoczki.

Według analiz, dwie gazowe planety w systemie LHS 1903 powstały właśnie w tym „bogatym” okresie, kiedy wokół gwiazdy unosiły się ogromne ilości gazu. Czwarta, skalista, narodziła się dopiero później. Gazu było już wtedy zbyt mało, by przeobraziła się w kolejnego giganta. Zostało głównie „twarde” tworzywo – krzemiany, metale, lód.

Dlaczego ta planeta nie urosła jak jej sąsiedzi

Naukowcy rozważają kilka uzupełniających się czynników, które mogły „zatrzymać” wzrost tej planety:

W efekcie w tym samym układzie powstały planety, które wyglądają, jakby uformowały się w dwóch różnych epokach. Dla teoretyków planetarnych to cenny materiał testowy, bo zmusza do rozbudowania modeli o szczegółowe procesy zależne od czasu.

Modele ewolucji planet lądują na warsztacie

System LHS 1903 jest dla astronomów czymś w rodzaju „szczególnego przypadku”, który pokazuje, że wygodny, prosty schemat formowania planet zbyt mocno upraszcza rzeczywistość. Różne etapy życia dysku, lokalne zagęszczenia, migracje planet i ich wzajemne grawitacyjne przepychanki układają się w znacznie bardziej złożony scenariusz.

Jeśli taka konfiguracja nie jest wyjątkiem, konsekwencje będą szerokie. Może się okazać, że w zewnętrznych częściach wielu układów skrywają się skaliste planety, których teleskopy jeszcze nie wyłapały, bo są zbyt małe i słabo wpływają na jasność gwiazd.

Nagromadzenie skalistych globów daleko od gwiazd rozszerza katalog miejsc, w których warto szukać ciekawych, zróżnicowanych środowisk – także pod kątem wody w stanie ciekłym czy potencjalnych warunków sprzyjających życiu.

Dotychczas badania egzoplanet koncentrowały się przede wszystkim na obiektach stosunkowo bliskich gwieździe, bo ich tranzyty łatwiej zauważyć. Dalsze orbity oznaczają rzadsze przejścia i słabsze sygnały. System podobny do LHS 1903 pokazuje, że warto cierpliwie polować również na takie słabsze ślady.

Co to zmienia w poszukiwaniach „drugiej Ziemi”

Gdy mowa o skalistej planecie daleko od gwiazdy, nasuwa się pytanie: czy tam mogłyby powstać warunki sprzyjające życiu? W tym konkretnym przypadku temperatura prawdopodobnie spada dużo poniżej ziemskich standardów. Światło gwiazdy jest zbyt słabe, aby na powierzchni utrzymała się woda w stanie ciekłym bez dodatkowych źródeł ciepła, na przykład silnego efektu cieplarnianego lub potężnego wnętrznego ogrzewania.

Mimo to sama możliwość istnienia skalistych globów w takiej odległości rozszerza katalog scenariuszy, które trzeba brać pod uwagę przy planowaniu przyszłych misji obserwacyjnych. Kamienista planeta z grubą, izolującą atmosferą, albo z oceanem ukrytym pod lodową skorupą, może skrywać zupełnie inne środowisko niż to, do którego przywykliśmy, myśląc o „drugiej Ziemi”.

Nowe dane z CHEOPS podpowiadają też, że przy ocenie potencjalnej przydatności planet do zamieszkania trzeba zwracać większą uwagę na historię całego układu: kiedy powstały poszczególne planety, jak zmieniała się aktywność gwiazdy, ile czasu zajęło rozproszenie dysku. To właśnie „harmonogram” zdarzeń może w wielu przypadkach decydować o tym, czy planeta kończy jako gazowy olbrzym, mroźna kula lodu, czy bardziej ziemski, skalisty glob.

Jak laik może sobie wyobrazić „niemożliwy” układ

Dobrym obrazem jest rozwijające się osiedle. Na początku mamy działki pełne materiałów budowlanych. Ci, którzy stawiają domy pierwsi, mogą przebierać: budują ogromne rezydencje. Gdy kolejni inwestorzy wchodzą na plac budowy kilka lat później, muszą zadowolić się resztkami – materiału wystarcza na mniejsze, skromniejsze domy, a nie na kolejne pałace.

W LHS 1903 „wcześni budowniczowie” to gazowe giganty, które zdążyły „zabrać” większość dostępnego gazu. Spóźniona skalista planeta jest jak dom postawiony na końcu osiedla z tego, co zostało na placu. W rezultacie powstaje konstrukcja o zupełnie innym charakterze niż okoliczne „rezydencje”.

Dla astronomów takie przykłady są bezcenne, bo pozwalają testować i dopracowywać teorie. Im więcej tak nietypowych układów uda się zarejestrować, tym lepiej będzie można przewidywać, jakie konfiguracje mogą kryć się w danych zbieranych przez kolejne teleskopy – od CHEOPS, przez Jamesa Webba, po przyszłe misje jeszcze bardziej wyspecjalizowane w analizie egzoplanetarnych systemów.