Odkrycie bardzo cienkiej egzoplanety z watą cukrową szokuje naukowców – „Nie potrafimy wyjaśnić, jak powstała ta planeta”

Astronomowie odkryli masywną planetę o małej gęstości zwaną WASP-193b, która jest o 50% większa od naszej planety. Jowisz Ale ma gęstość podobną do waty cukrowej. Odkrycie to podważa obecne teorie powstawania planet, ponieważ naukowcy nie są w stanie wyjaśnić, w jaki sposób taka planeta mogłaby się uformować.

Astronomowie odkryli ogromną, puszystą obcą kulę planety krążącej wokół odległej gwiazdy w naszej galaktyce droga Mleczna galaktyka. O odkryciu poinformowano 14 maja w czasopiśmie Astronomia przyrodnicza Przez badaczy z Instytut Technologii w MassachusettsOdkrycie dokonane na Uniwersytecie w Liège w Belgii i gdzie indziej jest obiecującym kluczem do zagadki powstawania tych ultralekkich gigantycznych planet.

Nowa planeta, zwana WASP-193b, wydaje się być karłem wielkości Jowisza, jednak jej gęstość stanowi ułamek jej gęstości. Naukowcy odkryli, że gazowy gigant jest o 50% większy od Jowisza i około jedną dziesiątą od niego gęstszy, czyli bardzo niski, podobny do gęstości waty cukrowej.

WASP-193b to druga najlżejsza planeta, jaką kiedykolwiek odkryto, po najmniejszej Neptun-Jak świat, Kepler 51d. Znacznie większy rozmiar nowej planety w połączeniu z jej niezwykle małą gęstością sprawia, że ​​WASP-193b jest czymś odstającym wśród ponad 5400 planet odkrytych do tej pory.

„Znajdowanie tych gigantycznych obiektów o tak małej gęstości jest naprawdę bardzo rzadkie” – mówi Khaled Al-Barqawi, główny autor badania i doktorant w MIT. „Istnieje klasa planet zwana puchatymi Jowiszami i od 15 lat pozostaje tajemnicą, czym są. To skrajny przypadek tej klasy.

„Nie wiemy, gdzie umieścić tę planetę we wszystkich teoriach powstawania, jakie mamy obecnie, ponieważ we wszystkich jest to anomalia” – dodaje współautor Francisco Pozuelos, starszy badacz w Instytucie Astrofizyki w Andaluzji. W Hiszpanii. „Nie możemy wyjaśnić, w jaki sposób powstała ta planeta, na podstawie klasycznych modeli ewolucyjnych. Dokładne przyjrzenie się jej atmosferze pozwoli nam wyznaczyć ścieżkę ewolucji tej planety”.

Współautorami badania MIT są Julian de Wit, adiunkt na Wydziale Nauk o Ziemi, Atmosferze i Planetach MIT oraz Artem Burdanov, badacz ze stopniem doktora w MIT, a także współpracownicy z wielu instytucji w całej Europie.

Artystyczna wizja systemu WASP-193b. Źródło: Uniwersytet w Liège

„Ciekawy rozwój”

Nowa planeta została początkowo dostrzeżona w ramach projektu Wide Angle Search for Planets Project (WASP), będącego wynikiem międzynarodowej współpracy instytucji akademickich, które wspólnie obsługują dwa obserwatoria robotyczne, jedno na półkuli północnej i jedno na południowej. Każde obserwatorium wykorzystuje szereg szerokokątnych kamer do pomiaru jasności tysięcy pojedynczych gwiazd na całym niebie.

W badaniach przeprowadzonych w latach 2006–2008 i ponownie w latach 2011–2012 Obserwatorium WASP-South wykrało okresowe tranzyty, czyli spadki światła, WASP-193, jasnej, pobliskiej gwiazdy podobnej do Słońca, oddalonej od Ziemi o 1232 lata . Astronomowie ustalili, że okresowe spadki jasności gwiazdy są zgodne z planetą krążącą wokół gwiazdy i blokującą jej światło co 6,25 dnia. Naukowcy zmierzyli całkowitą ilość światła blokowanego przez planetę podczas każdego tranzytu, co pozwoliło im oszacować rozmiar gigantycznej planety, mniej więcej wielkości superjowisza.

Następnie astronomowie starali się określić masę planety, co umożliwiłoby ujawnienie jej gęstości i być może także wskazówek co do jej składu. Aby oszacować masę, astronomowie zazwyczaj wykorzystują prędkość radialną – technikę, za pomocą której naukowcy analizują widmo gwiazdy lub różne długości fal światła, gdy planeta krąży wokół gwiazdy. Widmo gwiazdy może zmieniać się w określony sposób w zależności od tego, co gwiazdę przyciąga, na przykład od planety, którą orbituje. Im masywniejsza jest planeta i im bliżej gwiazdy znajduje się, tym bardziej zmienia się jej widmo – jest to zniekształcenie, które może dać naukowcom wyobrażenie o masie planety.

W przypadku WASP-193 b astronomowie uzyskali dodatkowe widma gwiazdy o wysokiej rozdzielczości wykonane przez różne teleskopy naziemne i próbowali wykorzystać prędkość radialną do obliczenia masy planety. Jednak obiekt wciąż był pusty – konkretnie, jak się okazało, planeta była zbyt jasna, aby można ją było wykryć na swojej gwieździe.

„Duże planety są zwykle bardzo łatwe do wykrycia, ponieważ są zwykle masywne i wywierają duży wpływ na swoją gwiazdę” – wyjaśnia De Wit. „Ale to, co było trudne w przypadku tej planety, polegało na tym, że chociaż była ogromna, jej masa i gęstość były tak małe, że bardzo trudno było ją wykryć za pomocą samej techniki prędkości radialnej. To było interesujące osiągnięcie”.

„[WASP-193b] „Jest tak łagodny, że zebranie danych i wykazanie, że istniał sygnał masowy, zajęło cztery lata, ale w rzeczywistości jest on bardzo mały” – mówi Barqawi.

„Początkowo uzyskiwaliśmy bardzo niskie gęstości i na początku bardzo trudno było w to uwierzyć” – dodaje Buzuelos. „Powtarzaliśmy proces analizy wszystkich danych kilka razy, aby upewnić się, że to jest prawdziwa gęstość planety, ponieważ zdarza się to tak rzadko”.

Nadmuchany świat

Ostatecznie zespół potwierdził, że planeta jest rzeczywiście bardzo lekka. Obliczyli, że jego masa wynosiła około 0,14 masy Jowisza. Jego gęstość, obliczona na podstawie masy, wynosiła około 0,059 grama na centymetr sześcienny. Dla kontrastu waga Jowisza wynosi około 1,33 grama na centymetr sześcienny; Ziemia jest o 5,51 grama na centymetr sześcienny większa. Być może substancją najbliższą nowej puszystej planecie jest wata cukrowa, której gęstość wynosi około 0,05 grama na centymetr sześcienny.

„Planeta jest tak lekka, że ​​trudno wyobrazić sobie porównywalną materię stałą” – mówi Barqawi. „Powodem, dla którego jest podobny do waty cukrowej, jest to, że oba składają się głównie z lekkich gazów, a nie ciał stałych. Planeta jest zasadniczo bardzo cienka”.

Naukowcy podejrzewają, że nowa planeta, podobnie jak większość innych gazowych gigantów w galaktyce, składa się głównie z wodoru i helu. W przypadku WASP-193b gazy te prawdopodobnie tworzą niezwykle puszystą atmosferę rozciągającą się dziesiątki tysięcy kilometrów poza atmosferę Jowisza. Jak planeta może rozdęć się do takiego stopnia i nadal utrzymywać tak ekstremalną gęstość światła, jest pytaniem, na które żadna istniejąca teoria powstawania planet nie potrafi jeszcze odpowiedzieć.

Aby uzyskać lepszy obraz nowego cienkiego świata, zespół planuje wykorzystać wcześniej opracowaną technikę D-Wit, aby najpierw określić pewne właściwości atmosfery planety, takie jak jej temperatura, skład i ciśnienie na różnych głębokościach. Właściwości te można następnie wykorzystać do dokładnego obliczenia masy planety. Na razie zespół postrzega WASP-193b jako idealnego kandydata do dalszych badań w obserwatoriach takich jak WASP-193b Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba.

„Im większa atmosfera planety, tym więcej światła może przez nią przejść” – mówi de Wit. „Zatem ta planeta jest bez wątpienia jednym z najlepszych celów do badania efektów atmosferycznych. Posłuży jako Kamień z Rosetty przy próbach rozwiązania zagadki wybrzuszonych Jowiszów”.

Odniesienie: „Rozszerzona atmosfera o niskiej gęstości wokół planety WASP-193 b wielkości Jowisza” autorstwa Khaleda Al-Barqawiego, Francisco J. Bozuelos, Coyle Hillier, Barry Smalley, Louise D. Nielsen, Prajwal Niraula, Michael Gillon, Julian de Wit, Simon Müller, Caroline Dorn, Ravit Held, Emmanuel Jehin, Brice Olivier Demaure, Valérie van Grootel, Abderrahmane Sepkew, Mourad Gashavi, David. Anderson, Zuhair Ben Khaldoun, François Bouchy, Artem Bordanov, Laetitia Delris, Elsa Ducrot, Leonel Garcia, Abdelhadi Al Jabri, Monica Lindell, Pierre F. L. Maxted, Catriona A. Murray, Peter Bellman Pedersen, Didier Kilo, Daniel Sebastian, Oliver Turner, Stefan Audrey, Mathilde Timmermans, Amaury H. M. G. Triode i Richard G. West, 14 maja 2024 r., Astronomia przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41550-024-02259-y

Badania te zostały częściowo sfinansowane przez Stowarzyszenie Uniwersyteckie i brytyjską Radę ds. Obiektów Naukowo-Technologicznych dla WASP; Europejska Rada ds. Badań Naukowych; Unia Walonia-Bruksela; oraz Fundacja Heising-Simons, Colin i Leslie Massonowie oraz Peter A. Gilman, którzy wspierają teleskopy Artemis i inne teleskopy SPECULOOS.