Propozycja nowej definicji planety

Naukowcy już rozumieją, gdzie kończą się duże planety i zaczynają brązowe karły – odkrycie, które na nowo może definiować termin „planeta”.

Niewiele pojęć w astronomii dzieli tak, jak słowo „planeta”. Chociaż degradacja Plutona w 2006 r. od dawna jest w centrum uwagi, inne wielkie światy także wchodzą w grę. Rzeczywiście, naukowcy długo zastanawiali się, jak masywna może być planeta, zanim przestanie być uważana za planetę.

W artykule opublikowanym niedawno w The Astrophysical Journal, Kevin Schlaufman (Johns Hopkins University) wyznaczył górną granicę planety pomiędzy 4 a 10 masami Jowisza. Każdy bardziej masywny obiekt nie jest planetą a brązowym karłem – tak zwaną „nieudaną gwiazdą”.

Chociaż wyniki nie spowodują przeklasyfikowania żadnych planet w Układzie Słonecznym, mają one ogromne znaczenie dla tego, jak formują się olbrzymie egzoplanety i brązowe karły. 

Odkrycie linii podziału między dużymi planetami a brązowymi karłami – lub masy, przy której kończy się jedna a zaczyna druga – pomaga szukać fundamentalnych różnic między tymi dwoma obiektami. Chociaż ich rozmiar wydaje się podobny, wielu naukowców spekulowało, że formują się one zupełnie inaczej.

Planety podobne do Jowisza rozwijają się w procesie zwanym akrecją rdzenia. Najpierw ogromne ilości lodu i skał zderzają się i sklejają, tworząc skalisty zarodek, tak masywny jak Ziemia. Następnie ściąga on gaz z dysku protoplanetarnego na siebie, aż zostanie osłonięty masywną powłoką wodoru i helu. Jednak brązowe karły tworzą się odwrotnie, podobnie jak gwiazdy, zapadając się bezpośrednio z obłoku gazu.

Przynajmniej taka jest hipoteza. Jeżeli to prawda, planety podobne do Jowisza będą znacznie łatwiej powstawać w dyskach protoplanetarnych, które są bogate w pierwiastki ciężkie. To dlatego, że pierwiastki te są fundamentalne dla budowy skał, które formują jądra planetarne. Tak więc, jeżeli będzie więcej ciężkich pierwiastków, będzie więcej planet podobnych do Jowisza – i to jest coś, co astronomowie powinni wykryć.  

Już wcześniej były wskazówki w danych. Jednak astronomowie nie byli w stanie jeszcze stwierdzić, czy są one prawdziwe. „Ludzkie oko jest bardzo dobre w widzeniu wzorców nawet wtedy, gdy te nie istnieją, więc śledzenie ich z większą rygorystyką i solidną metodologią statystyczną jest zdecydowanie najlepszą drogą” – mówi Gregory Laughlin (Yale University), który nie uczestniczył w badaniu.

Dokładnie to robił Schlaufman. Odkrył, że w 146 wyselekcjonowanych układach planetarnych obiekty o masach poniżej 4-10 mas Jowisza mają tendencję do formowania się wokół gwiazd, więc bezpośredni kolaps jest prawdopodobnie odpowiedzialny za ich formowanie. Podział oznacza, że obiekt poniżej dziesięciu mas Jowisza jest prawdopodobnie planetą, a obiekt powyżej tej masy jest brązowym karłem.

Schlaufman oparł swoją definicję na fizyce tworzenia się planet. „Jeżeli to wyznacza granicę tego, jak duże rzeczy mogą rosnąć dzięki jednemu mechanizmowi w porównaniu z innymi, myślę, że jest to z natury interesujące. Powinno nam to pomóc wysunąć teorie dotyczące formowania się brązowych karłów oraz planet” – mówi Kaitlin Kratter (University of Arizona).

Jeżeli chodzi o nadrzędne implikacje, Schlaufman nie poprzestaje na tym. Twierdzi także, że jeżeli zna się największą możliwą masę dla planety, można pracować wstecz, aby określić wielkość dysku protoplanetarnego, w którym się ona uformowała. 

To może pomóc rozwiązać fundamentalną kwestię w modelach teoretycznych, które pokazują, że nowo narodzone planety będą wchodzić w interakcje z dyskiem protoplanetarnym, tracić moment pędu i gwałtownie skręcać na swoją gwiazdę macierzystą – wszystko to w ciągu 10 000 lat po swoim powstaniu. Nie zgadza się to z obserwacjami, biorąc pod uwagę, że widzimy wiele starych planet wielkości Jowisza. Oczywiście coś musi powstrzymywać tę wewnętrzną migrację.

Schlaufman uważa, że ma odpowiedź. Sugeruje, że dyski protoplanetarne, które mogą tworzyć planety jedynie o masach 4-10 mas Jowisza, będą miały wyjątkową właściwość: albo mają niską gęstość powierzchniową, albo są nieefektywne w przenoszeniu momentu pędu. W obu przypadkach dysk zatrzyma wewnętrzną spiralę planet podobnych do Jowisza, aby przetrwały wystarczająco długo, byśmy mogli je zobaczyć.

Zarówno Kratter jak i Laughlin nie są zdecydowani, aby od razu zastosować ustalenia Schlaufmana do modeli migracji. (Chociaż rozumowanie Laughlina wynika z faktu, że nie jest przekonany, że migracja ma miejsce w większości układów planetarnych). Zamiast tego, twierdzi on, że ważność badania jest nowym dowodem na to, że istnieje wyraźna separacja planet wielkości Jowisza od brązowych karłów. 

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Więcej:
There’s a New Definition for the Term “Planet”

Źródło: Sky and Telescope

Na zdjęciu: Wizja artystyczna pozasłonecznego układu planetarnego. Źródło: JPL/NASA