Micșorarea planetară ar putea explica misterul lumilor universului dispărute

Studiind datele de la Telescopul Spațial Kepler, cercetătorii Institutului Flatiron au descoperit că contracția planetară de-a lungul a miliarde de ani explică probabil un puzzle care a durat ani de zile: deficitul planetar aproape că dublează dimensiunea Pământului.

A existat o descoperire în problema planetelor pierdute.

În timp ce căutările de planete au descoperit mii de lumi care orbitează stele îndepărtate, există o lipsă de exoplanete cu o rază cuprinsă între 1,5 și de două ori diametrul Pământului. Acesta este mijlocul dintre planetele super-stâncoase și planetele mari, care conțin gaze, numite Neptun miniatural. De la descoperirea acestui „decalaj de rază” în 2017, oamenii de știință au cercetat de ce există atât de puține corpuri cerești de dimensiuni medii.

Noile dovezi au apărut dintr-un nou mod de a privi datele. O echipă de cercetători condusă de Trevor David de la Flatiron Institute a investigat dacă decalajul de rază se schimbă odată cu îmbătrânirea planetelor. Au împărțit exoplanetele în două grupuri – mici și mari – și au reevaluat decalajul. Ei au descoperit că razele mai puțin frecvente ale planetei pentru grupul mai mic erau în medie mai mici decât cele mai puțin comune din grupul mai vechi. În timp ce cea mai rară dimensiune a planetelor mai mici era de aproximativ 1,6 ori raza Pământului, aceasta este de aproximativ 1,8 ori raza Pământului la vârste mai vechi.

Cercetătorii sugerează că implicația este că un tânăr Neptun se micșorează dramatic de-a lungul a miliarde de ani pe măsură ce atmosfera lor scapă, lăsând în urmă doar un nucleu solid. Pierzându-și gazul, tânărul Neptun „sare” spațiul de rază al planetei și devine un super Pământ. În timp, decalajul de rază se schimbă pe măsură ce Neptunii mici și mai mari fac saltul, transformându-se în planete terestre din ce în ce mai mari. Cu alte cuvinte, decalajul este decalajul dintre cea mai mare dimensiune a super-Pământului și cel mai mic Neptun, care este atât de mic încât este încă capabil să își mențină atmosfera. Cercetătorii și-au raportat descoperirile pe 14 mai 2021, în Jurnalul Astronomic.

Diagrama care descrie decalajul de rază al unei exoplanete. Credit: Fundația Simons

„Ideea este că planetele nu sunt domeniile fixe ale rocilor și gazelor, uneori avem tendința să ne gândim la ele”, spune David, un cercetător la Centrul pentru Astrofizică Computațională (CCA) de la Flatiron Institute (CCA) din New York Oraș. În unele modele de pierdere atmosferică propuse anterior, „unele dintre aceste planete erau de zece ori mai mari la începutul vieții lor”.

Rezultatele conferă credință celor doi suspecți propuși anterior în acest caz: căldura reziduală de la formarea planetei și radiația intensă de la stelele gazdă. Ambele fenomene adaugă energie atmosferei planetei, provocând evacuarea gazelor în spațiu. „Este posibil ca ambele efecte să fie importante”, spune David, „dar vom avea nevoie de modele mai complexe pentru a vedea cât de mult și când” contribuie fiecare la ciclul de viață al planetei.

Co-autorii lucrării sunt Gabriella Contardo, CCA Research Fellow, Ruth Angus, CCA Associated Research Scientist Megan Biddle, Associated Research Scientist Daniel Furman-McKee și CCA Guest Researcher Samuel Gronblatt.

Noul studiu a folosit date colectate de nava spațială Kepler, care a măsurat lumina de la stele îndepărtate. Cand Exoplaneta Mișcându-se între stea și Pământ, lumina observată din stea se estompează. Analizând cât de repede se rotește planeta în jurul stelei sale, dimensiunea stelei și cât de întunecată este, astronomii pot estima dimensiunea exoplanetei. Aceste analize au condus în cele din urmă la descoperirea decalajului de rază.

Simulare pe computer a modului în care distribuția dimensiunilor planetelor se schimbă odată cu îmbătrânirea sistemelor planetare. Decalajul de rază apare de aproximativ două ori pe cel al Pământului – deși depinde de perioadele orbitale ale planetelor. Dovezile sugerează că decalajul se transformă în timp ca un plic mic acoperit cu gaz.Neptun Planetele își pierd atmosfera, lăsând în urmă un Pământ gigant solid. Una dintre planetele care trec prin acest proces este marcată (descrisă ca având un nucleu atmosferic), cu o modificare a dimensiunii sale reprezentată în dreapta. Credit: animație de Eric Pettigura (Universitatea din California); Simulat de James Owen (Colegiul Imperial din Londra)

Oamenii de știință au sugerat anterior câteva mecanisme potențiale de creare a lacunelor, fiecare proces având loc la o scară de timp diferită. Unii cred că decalajul apare în timpul formării planetare atunci când unele planete se formează fără suficient gaz din apropiere pentru a le mări dimensiunea. În acest scenariu, raza planetei și, astfel, decalajul de rază, sunt imprimate la naștere. O altă ipoteză a fost că coliziunile cu rocile spațiale ar putea îndepărta atmosfera groasă a unei planete și să împiedice planetele mai mici să acumuleze mult gaz. Acest mecanism de impact ar dura între 10 și 100 de milioane de ani.

Alte mecanisme potențiale necesită mai mult timp. O sugestie este că razele X intense și razele ultraviolete de la steaua gazdă a planetei elimină gazul în timp. Acest proces, numit evaporare optică, durează mai puțin de 100 de milioane de ani pentru majoritatea planetelor, dar poate dura miliarde de ani pentru unele. O altă sugestie este că căldura rămasă de la formarea planetei adaugă încet energie la atmosfera planetei, determinând evacuarea gazului în spațiu timp de miliarde de ani.

David și colegii săi au început investigația aruncând o privire mai atentă asupra decalajului în sine. Măsurarea dimensiunilor stelelor și exoplanetelor poate fi dificilă, așa că au curățat datele pentru a le include doar pe ale căror diametre erau cunoscute cu încredere. Această procesare a datelor a dezvăluit un decalaj mai gol decât se credea anterior.

Apoi, cercetătorii au sortat planetele în funcție de faptul că erau mai tinere sau mai vechi de acum 2 miliarde de ani. (Pentru comparație, Pământul are o vechime de 4,5 miliarde de ani.) Întrucât steaua și planetele sale se formează simultan, acestea au determinat vârsta fiecărei planete pe baza vârstei stelei sale.

Rezultatele indică faptul că tânărul Neptun nu este în stare să se țină de gazul său. Peste miliarde de ani, gazul este îndepărtat, lăsând în urmă un Pământ gigantic, adesea solid. Acest proces durează mai mult în cazul Neptunului mai mic și mai mare – care a devenit cea mai mare planetă super-Pământ – dar nu va afecta majoritatea giganților gazoși, a căror atracție gravitațională este suficient de puternică pentru a-și menține atmosfera.

Faptul că decalajul de rază se dezvoltă de-a lungul a miliarde de ani indică faptul că vinovatul nu este coliziuni planetare sau mofturi inerente formării planetare. David spune că căldura reziduală din interiorul planetelor care își îndepărtează treptat atmosfera este foarte potrivită, dar radiația intensă de la stelele părinte ar putea contribui, de asemenea, mai devreme. Următorul pas este ca oamenii de știință să modeleze mai bine modul în care evoluează planetele pentru a vedea care explicație joacă un rol mai mare. Acest lucru ar putea însemna să analizăm complexități suplimentare, cum ar fi interacțiunile dintre atmosfere născute și câmpuri magnetice ale planetelor sau oceanelor magmatice.

Referință: „Evoluția distribuției dimensiunilor exoplanetei: formarea planetelor super-pământești de-a lungul a miliarde de ani” de Trevor J. David, Gabriela Contardo, Angley Sandoval, Ruth Angus, Yuxi (Lucy) Lu, Megan Bidel, Jason El Curtis și Daniel Foreman-Mackie, Benjamin J. Fulton, Samuel K. Grunblatt și Eric A. Petigura, 14 mai 2021, Jurnalul Astronomic.
DOI: 10.3847 / 1538-3881 / abf439