Większość gwiazd w naszej galaktyce ma planety. Najczęstsze są sub-Neptuny, planety o rozmiarach między Ziemią a Neptunem. Obliczanie ich gęstości stanowi wyzwanie dla naukowców: w zależności od zastosowanej metody pomiaru ich masy, wyróżnia się dwie populacje, gęste i mniej gęste. Czy to z powodu stronniczości obserwacyjnej czy z powodu fizycznego istnienia dwóch różnych populacji sub-Neptunów? Niedawna praca NCCR PlanetS, Uniwersytetu w Genewie (UNIGE) i Uniwersytetu w Bernie (UNIBE) popiera to drugie. Dowiedz się więcej w czasopiśmie Astronomy & Astrophysics.

Egzoplanety są obfite w naszej galaktyce. Najczęstsze są te o promieniu Ziemi (około 6.400 km) i Neptuna (około 25.000 km), znane jako "sub-Neptuny". Szacuje się, że 30% do 50% gwiazd podobnych do Słońca ma co najmniej jedną z tych planet.

Obliczanie gęstości tych planet stanowi naukowe wyzwanie. Aby oszacować ich gęstość, musimy najpierw zmierzyć ich masę i promień. Problem: planety, których masa została zmierzona metodą TTV (Transit-Timing Variation), są mniej gęste niż planety, których masa została zmierzona metodą prędkości radialnej, inną możliwą metodą pomiaru.

„Metoda TTV polega na mierzeniu zmian w czasie tranzytu. Interakcje grawitacyjne między planetami w tym samym systemie nieco zmieniają moment, w którym planety przechodzą przed swoją gwiazdą,“ wyjaśnia Jean-Baptiste Delisle, pracownik naukowy w Wydziale Astronomii na Wydziale Nauk UNIGE i współautor badania. „Z kolei metoda prędkości radialnej polega na mierzeniu zmian w prędkości gwiazdy spowodowanych obecnością planet wokół niej.“

Eliminowanie stronniczości
Międzynarodowy zespół prowadzony przez naukowców z NCCR PlanetS, UNIGE i UNIBE opublikował badanie wyjaśniające to zjawisko. Nie jest ono spowodowane stronniczością selekcyjną ani obserwacyjną, ale przyczynami fizycznymi. „Większość systemów mierzonych metodą TTV jest w rezonansie,“ wyjaśnia Adrien Leleu, adiunkt w Wydziale Astronomii na Wydziale Nauk UNIGE i główny autor badania.

Dwie planety są w rezonansie, gdy stosunek ich okresów orbitalnych jest liczbą wymierną. Na przykład, gdy jedna planeta wykonuje dwie orbity wokół swojej gwiazdy, druga planeta wykonuje dokładnie jedną. Jeśli kilka planet jest w rezonansie, tworzy to łańcuch rezonansu Laplace'a. „Dlatego zastanawialiśmy się, czy istnieje wewnętrzny związek między gęstością a rezonansową konfiguracją orbitalną systemu planetarnego,“ kontynuuje badacz.

Aby ustalić związek między gęstością a rezonansem, astronomowie musieli najpierw wykluczyć jakąkolwiek stronniczość w danych, rygorystycznie wybierając systemy planetarne do analizy statystycznej. Na przykład, duża planeta o małej masie wykryta w tranzycie wymaga więcej czasu, aby zostać wykryta w prędkościach radialnych. Zwiększa to ryzyko przerwania obserwacji, zanim planeta stanie się widoczna w danych prędkości radialnych, a tym samym zanim jej masa zostanie oszacowana.

„Ten proces selekcji prowadziłby do stronniczości w literaturze na korzyść większych mas i gęstości dla planet charakteryzowanych metodą prędkości radialnej. Ponieważ nie mamy pomiarów ich mas, mniej gęste planety byłyby wykluczone z naszych analiz,“ wyjaśnia Adrien Leleu.

Po przeprowadzeniu tego czyszczenia danych astronomowie byli w stanie za pomocą testów statystycznych ustalić, że gęstość sub-Neptunów jest mniejsza w systemach rezonansowych niż w ich odpowiednikach w systemach nierezonansowych, niezależnie od używanej metody do określania ich masy.

Kwestia rezonansu
Naukowcy sugerują kilka możliwych wyjaśnień dla tego związku, w tym procesy związane z formowaniem się systemów planetarnych. Główna hipoteza badania jest taka, że wszystkie systemy planetarne w pierwszych momentach swojego istnienia zbiegały się do stanu łańcucha rezonansu, ale tylko 5% pozostaje stabilne. Pozostałe 95% staje się niestabilne. Łańcuch rezonansu wtedy się rozpada, powodując szereg „katastrof“, takich jak zderzenia między planetami. Planety łączą się, zwiększając swoją gęstość, a następnie stabilizują się na nierezonansowych orbitach.

Ten proces tworzy dwie bardzo różne populacje sub-Neptunów: gęste i mniej gęste. „Numeryczne modele formowania i ewolucji systemów planetarnych, które rozwijaliśmy w Bernie przez ostatnie dwie dekady, dokładnie odtwarzają ten trend: planety w rezonansie są mniej gęste. Ponadto, to badanie potwierdza, że większość systemów planetarnych była miejscem gigantycznych zderzeń, podobnych lub nawet bardziej gwałtownych niż to, które doprowadziło do powstania naszego Księżyca,“ podsumowuje Yann Alibert, profesor na Wydziale Badań Kosmicznych i Planetarnych (WP) UNIBE i współkierownik Centrum Badań Kosmicznych i Zamieszkiwalności oraz współautor badania.

Źródło: UNIWERSYTET W GENEWIE