Znamy ponad 1300 gazowych olbrzymów poza Układem Słonecznym. Te osobliwe planety wydają się być dość powszechne we wszechświecie. Czym tak naprawdę są?
Gazowy olbrzym to duża planeta składająca się głównie z helu i/lub wodoru. Obiekty te, podobnie jak Jowisz i Saturn w Układzie Słonecznym, nie mają skalistych powierzchni, a zamiast tego występują na nich wirujące gazy nad stałym jądrem. Gazowe olbrzymy poza Układem Słonecznym mogą być znacznie większe od Jowisza i znacznie bliższe swoim gwiazdom niż cokolwiek, co można znaleźć w naszym kosmicznym sąsiedztwie.
Gdzie się rodzą gazowe olbrzymy?
Przez większość historii ludzkości nasze rozumienie tego, jak tworzą się i ewoluują planety, opierało się na danych opartych na wiedzy o ośmiu (lub dziewięciu) obiektach z Układu Słonecznego. Jednak w ciągu ostatnich 25 lat, odkrycie ponad 4000 egzoplanet, czyli planet spoza naszego układu planetarnego, zmieniło to wszystko.
Gazowe olbrzymy, takie jak Jowisz czy Saturn, składają się głównie z helu i/lub wodoru. Planety podobne do Jowisza, ale znajdujące się blisko swoich gwiazd (temperatury sięgające tysięcy stopni Celsjusza) to tzw. gorące jowisze. Były to jedne z pierwszych namierzonych egzoplanet.
Te duże planety krążą po tak ciasnych orbitach, że powodują wyraźne „chwianie” (ang. wobble) swoich gwiazd, powodując mierzalne przesunięcia w widmie emitowanego gwiazda, które można wykryć. To sprawiło, że gorące jowisze były łatwiejsze do wykrycia niż np. planety skaliste podobne do Ziemi (przynajmniej na początkowych etapach poszukiwań).
Najbardziej znane pozasłoneczne gazowe olbrzymy to Kepler-7b, KELT-9b czy 51 Pegasi b.
Naukowcy mają wiele pytań dotyczących gazowych olbrzymów, a najważniejszym jest to, dotyczące ich narodzin. Czy powstają one blisko swoich gwiazd, czy też dalej i zaczynają migrować do wewnątrz? A jeśli gazowe olbrzymy faktycznie migrują, co by to ujawniło na temat historii planet w Układzie Słonecznym?
Aby odpowiedzieć na te pytania, naukowcy będą musieli zaobserwować wiele z tych gorących olbrzymów na bardzo wczesnym etapie ich formowania. Wykrycie egzoplanety HIP 67522 b, uważanej za najmłodszego gorącego jowisza, jakiego kiedykolwiek znaleziono (w czerwcu 2020 r.), może okazać się przełomowe. Planeta orbituje wokół dobrze zbadanej gwiazdy, która ma około 17 milionów lat, co oznacza, że HIP 67522 b jest prawdopodobnie tylko kilka milionów lat młodsza, podczas gdy większość znanych gazowych olbrzymów ma ponad miliard lat. Planeta potrzebuje około siedmiu dni, aby okrążyć swoją gwiazdę, która ma masę podobną do masy Słońca. Znajdująca się zaledwie około 490 lat świetlnych od nas, HIP 67522 b ma średnicę około 10 razy większą od Ziemi – czyli zbliżoną do średnicy Jowisza.
Migrujące giganty
Istnieją dwie główne hipotezy dotyczące tego, w jaki sposób gorące jowisze znalazły się tak blisko swoich gwiazd macierzystych. Jedna z nich mówi, że po prostu powstają w miejscu, w którym je obserwujemy i tam się powiększają. Jednak astrofizykom trudno sobie wyobrazić planety formujące się w tak ekstremalnym środowisku. Nie tylko palące ciepło powoduje parowanie większości materiałów, ale młode gwiazdy często wybuchają potężnymi eksplozjami i wiatrami gwiazdowymi, potencjalnie rozpraszając zebrane fragmenty protoplanety (tworzącej się planety).
Bardziej prawdopodobne jest to, że gazowe olbrzymy rozwijają się dalej od swojej gwiazdy macierzystej, za tzw. linią śniegu. Jest to odległość od protogwiazdy, poza którą dysk protoplanetarny jest w czasie formowania się planet na tyle chłodny, że następuje zestalenie wody, a także innych substancji lotnych. Zgodnie z jedną z hipotez dotyczących tworzenia się planet, przed linią śniegu promieniowanie gwiazdy wymiata dużą część substancji gazowych i w obszarze tym powstają planety skaliste. Planety podobne do Jowisza składają się prawie w całości z gazu, ale zawierają stałe rdzenie. Byłoby łatwiej dla tych rdzeni uformować się za linią śniegu, gdzie zamrożone materiały mogłyby przylgnąć do siebie jak rosnąca kula śnieżna.
Zgodnie z powyższą hipotezą, uformowane gorące jowisze na pewnym etapie swojej ewolucji wędrują bliżej swoich gwiazd. Ale co tak naprawdę wyzwala taką akcję?
Jedna z hipotez zakłada, że gorące jowisze rozpoczynają swoją wędrówkę we wczesnym etapie historii układu planetarnego, gdy gwiazda jest jeszcze otoczona dyskiem gazu i pyłu, z którego uformowały się zarówno ona, jak i planeta. W tym scenariuszu, grawitacja dysku oddziałująca z masą planety mogłaby przerwać orbitę gazowego olbrzyma i spowodować jego migrację do wewnątrz.
Jedna z możliwości zakłada, że gorące jowisze zbliżają się do swojej gwiazdy później, kiedy grawitacja innych planet wokół gwiazdy może napędzać taką migrację. Fakt, że HIP 67522 b jest już tak blisko swojej gwiazdy tak wcześnie po jej uformowaniu wskazuje, że ta hipoteza prawdopodobnie nie ma zastosowania w tym przypadku. Jednak jeden młody gorący jowisz nie wystarczy, by rozstrzygnąć debatę na temat tego, jak powstają wszystkie inne planety tego typu.
