Kui astronoomid avastasid kaks aastakümmet tagasi ühe tavalise tähe ümber esimese eksoplaneedi, rõõmustasid nad ja imestasid korraga: avatud planeet 51 Pegasus b oli poolteist korda massiivsem kui Jupiter, kuid samal ajal asus see tähe lähedal äärmiselt lähedal: see teeb ühe pöörde vaid 4 päevaga, mis palju kiiremini kui Päikesele lähim planeet Merkuur teeb 88 päevaga revolutsiooni. Planeedi moodustumist uurivad teoreetikud ei näinud võimalust planeedi moodustamiseks ja kasvamiseks vastsündinud tähe läheduses. Võib-olla oli see reegli erand, kuid peagi avastati veel mitu kuuma Jupiterit, mida ühendasid ka teised kummalised planeedid: piklikes ja kõrgelt kaldu orbiitidel ning pöörlemas isegi vanema tähe pöörlemissuuna suhtes.
Eksoplaneetide jaht on kiirenenud pärast Kepleri kosmoseteleskoobi käivitamist 2009. aastal ja 2500 selle avastatud maailma on lisanud eksoplaneetide uurimiseks statistikat - ja see on veelgi segadust tekitanud. Kepler avastas, et galaktikas on kõige levinum planeeditüüp kuskil Maa ja Neptuuni vahel - supermaad, millel meie päikesesüsteemis analooge pole ja mida peeti peaaegu võimatuks. Kaasaegsed maapealsed teleskoobid hõivavad valgust otse eksoplaneetidelt, selle asemel, et nende olemasolu kaudselt tuvastada, nagu teeb Kepler, ja need andmed on ka ebaharilikud. Avastati hiiglaslikud planeedid, mille mass oli mitu korda suurem kui Jupiteri mass, mille kaugus lähtetähtedest on kaks korda suurem kui Neptuunilt Päikesele - see tähendab, et nad asuvad teises piirkonnas,kus teoreetikud pidasid suurte planeetide sündi võimatuks.
"Algusest peale oli ilmne, et vaatlused polnud kuigi teoreetilised," ütles Californias Palo Alto Stanfordi ülikooli füüsik Bruce McIntosh. "Kunagi pole olnud hetke, mil teooria oleks vaatlust kinnitanud."
Teoreetikud üritavad luua stsenaariume planeetide "kasvamiseks" kohtades, mida kunagi peeti keelatud. Nad näevad ette, et planeedid võivad moodustuda palju liikuvamas ja kaootilises keskkonnas, kui nad kunagi varem oskasid ette kujutada, kuna tärkavad planeedid triivivad tähe lähedal olevatest ümmargustest orbiitidest piklikemateks ja kaugemateks. Kuid eksootiliste planeetide pidevalt laienev loomaaed, mida teadlased jälgivad, tähendab, et iga uus mudel on esialgne. "Iga päev võite avastada midagi uut," ütleb astrofüüsik Thomas Henning astronoomia instituudist. Max Planck Heidelbergis, Saksamaal. "See on nagu uute põldude avastamine kullapalaviku ajal."
Tähtede ja nende planeetide moodustamise traditsiooniline mudel pärineb 18. sajandist, kui teadlased pakkusid välja, et aeglaselt pöörlev tolmu- ja gaasipilv võib enda raskuse all kokku kukkuda. Suurem osa materjalist moodustab kuuli, mis kokkutõmbub, kuumeneb ja muutub täheks, kui selle kese muutub tihedaks ja kuumaks, et algatada termotuumareaktsioone. Gravitatsioon ja nurkkiirus koguvad ülejäänud materjali protostari ümber tasasele gaasi ja tolmu kettale. Sellel kettal liikudes põrkavad materjali osakesed kokku ja "kleepuvad kokku" elektromagnetiliste jõudude mõjul. Mitme miljoni aasta jooksul kasvavad osakesed teradeks, veeristeks, rändrahnudeks ja lõpuks kilomeetri pikkusteks tasapinnalisteks pilvedeks.
Sel hetkel võtab raskusjõud üle, toimub planeetasandite kokkupõrked ja ruum puhastatakse täielikult tolmust, mille tagajärjel moodustub mitu täisväärtuslikku planeeti. Selleks ajaks, kui see juhtub ketta sisemises osas, absorbeerib suurem osa sellest tuleva gaasi tähe poolt või puhub selle tähttuul ära. Gaasi puudus tähendab, et siseplaneedid jäävad suuresti kiviseks, õhukese atmosfääriga.
See kasvuprotsess, mida tuntakse südamiku akretsioonina, on kiirem ketta välisosades, kus temperatuurid on vee külmutamiseks piisavalt madalad. Jää täiendab sel juhul tolmu, mis võimaldab protoplaneetidel kiiremini tugevneda. Tulemuseks on tahke tuum, mis on viis kuni kümme korda raskem kui Maa - piisavalt kiire, et protoplanetaarse ketta välispiirkond jääks gaasirikkaks. Raskusjõu mõjul südamik "tõmbab" endalt kettalt gaasi, luues sellise gaasihiiglase nagu Jupiter. Muuseas, selle kuu alguses Jupiterisse lendanud kosmoselaeva Juno üks eesmärke on teha kindlaks, kas planeedil on tõepoolest massiivne tuum.
Reklaamvideo:
See stsenaarium loob meiega sarnase planeedisüsteemi: tähe lähedal asuvad õhukese atmosfääriga väikesed kivised planeedid; vahetult lumejoone lähedal (kus temperatuur on piisavalt külm, et vesi saaks külmuda) on gaasihiiglane Jupiter ja teised hiiglased ilmuvad järk-järgult suurte vahemaade taha ja nad osutuvad väiksemaks, kuna liiguvad oma orbiitidel aeglasemalt ja vajavad rohkem aeg protoplanetaarse ketta materjali kogumiseks. Kõik planeedid püsivad umbes seal, kus nad moodustasid, ja liiguvad ringikujulistel orbiitidel samal tasapinnal. Kena ja kena.
Kuid kuumade Jupiterite avastamine näitas, et miski oli teooriaga tõsiselt vastuolus. Planeet, mille orbiidil kulub orbiidile vaid mõni päev, on tähe läheduses väga lähedal, mis piirab võimalikku materjali kogust. Tundus arusaamatu, kuidas sellisesse kohta võib moodustuda gaasigigant. Ja paratamatu järeldus on, et selline planeet oleks pidanud moodustama oma tähest märkimisväärselt kaugemal.
Teoreetikud on välja mõelnud kaks võimalikku mehhanismi planeediteki segamiseks. Esimene, nn ränne, nõuab pärast hiiglasliku planeedi moodustumist kettale jäämiseks palju materjali. Planeedi gravitatsioon moonutab ketast, luues suurema tihedusega alasid, mis omakorda avaldavad planeedil gravitatsioonilist efekti, põhjustades selle järk-järgult ketta sisenemise tähe suunas.
Selle idee kohta on tõendeid. Naabersed planeedid satuvad sageli stabiilsesse gravitatsioonilisse "kimpu", mida tuntakse orbitaalresonantsina - see tähendab, et nende orbiitide pikkus on seotud väikeste täisarvudega. Näiteks kui Pluuto pöördub kaks korda ümber Päikese, on Neptuunil aeg täpselt kolm korda ümber pöörata. On väga ebatõenäoline, et see juhtus juhuslikult, nii et see juhtus kõige tõenäolisemalt rände ajal, andes sellega planeetidele täiendava gravitatsioonilise stabiilsuse. Ränne meie päikesesüsteemi ajaloo alguses võib seletada muid veidrusi, sealhulgas Marsi ja asteroidi vöö väiksust. Nende selgitamiseks tulid teoreetikud välja "suure läbipainde" hüpoteesiga, milles Jupiter kujunes algselt Päikesele lähemale, misjärel see triivis sissepoole peaaegu Maa orbiidile, kogudes materjali ja seeläbi "ära võttes" sellest Marsi.ja pärast Saturni moodustumist ketta sisemises piirkonnas gravitatsiooni ja gaasirõhu mõjul naasis see tagasi, mööda tolmu jäänuseid ja tasapinnalisi imitatsioone asteroidivöösse "juhtides".
Mõne modelleerija arvates on sellised stsenaariumid tarbetult keerulised. "Ma tõesti usun Occami habemeajamisse (seda, mida saab teha vähemaga [eeldusi], ei tohiks teha rohkemaga," - umb. Tõlge), "ütleb Greg Laughlin, Santa Cruzi California ülikooli astronoom.). Laughlin väidab, et planeedid moodustusid tõenäoliselt samas kohas, kus me neid praegu näeme. Ta ütleb, et suured tähed võivad nende tähe lähedale moodustuda, kui protoplaneetilised kettad sisaldavad palju rohkem materjali, kui seni arvati. Mõningane planeedi liikumine võib siiski aset leida - piisab näiteks resonantside selgitamiseks, kuid "see on viimane näpistamine, mitte peamine torujuhe", lausub Laughlin.
Kuid teised teoreetikud väidavad, et tähtedele nii lähedaste planeetide moodustamiseks, nagu 51 Pegasus b ja teised, mis on veelgi lähemal, pole lihtsalt piisavalt materjali. "Nad ei oleks võinud omal kohal moodustuda," ütleb füüsik Joshua Wynn Massachusettsi tehnoloogiainstituudist kindlameelselt. Ja märkimisväärne osa eksoplaneetidest, mis on piklikes, kaldudes või isegi vastupidistes orbiitides, näib viitavat ka mingisugusele planeedisüsteemi ümberpaigutamisele.
Nende veidruste selgitamiseks tsiteerivad teoreetikud "lähivõitlust" - gravitatsiooni, mitte sedatiivset rännet. Materjalirikas protoplanetaarne ketas võis luua palju üksteise lähedal asuvaid planeete, kus gravitatsiooni mõju võib mõne neist orbiidid teha tähe lähedale, kallutada ja isegi planeedi süsteemist täielikult välja visata. Teine potentsiaalne hävitaja on kaastäht piklikul orbiidil. Enamasti on see planeedisüsteemile olulise mõju avaldamiseks liiga kaugel, kuid selle lähedal võib see planeetide orbiite märkimisväärselt "ümber lükata". Või kui vanemtäht on tihedalt seotud täheklastri liige, võib naabertäht jõuda piisavalt lähedale, et oma orbiite segada või isegi enda jaoks ühte või mitut planeeti haarata."Planeedisüsteemi purustamiseks on palju viise," ütleb Wynn.
Ootamatu järelduse tegid Kepleri leitud planeete uurinud teadlased - selgus, et 60% Päikesesarnastest tähtedest tiirlevatest supermaistest on oluliselt erinevad sellest, mida me Päikesesüsteemis täheldame, ja nõuavad olemasolevate teooriate ümbermõtestamist. Enamik supermaastikke, mis on enamasti tahke ja väikese gaasikogusega, järgneb orbiitidele tähtedele lähemal kui Maa ja sageli on tähtedel rohkem kui üks selline planeet. Näiteks on Kepler-80 süsteemil neli super-maad, kõigi orbiitide pikkus on 9 päeva või vähem. Tavapärane teooria väidab, et lumeliini sees on kiud liiga aeglane, et toota midagi nii suurt. Kuid supermaad leidub resonantsetel orbiitidel harva, mis viitab sellele, et nad ei rännanud, vaid moodustasid kohe, kus need leiame.
Teadlased pakuvad selle probleemi lahendamiseks välja uusi viise. Üks idee on kiirendada aktiveerimist, kasutades protsessi, mida nimetatakse kivikeste akrimineerimiseks. Gaasirikkal plaadil on veerisuurustele objektidele suur mõju. See aeglustab neid tavaliselt, sundides neid triivima lähemale. Kuid mida lähemal nad tähele asuvad, seda suurem on tihedus ja selle tagajärjel suureneb tasapinnaliste mõõtmete moodustumise kiirus, vähenedes kaugusele tähest. Kiirendatud akrimineerimine ja gaasirikas ketas tõstatavad aga omaette probleemi: sel juhul peaksid supermaastikud omandama paksu atmosfääri, kui nad ületavad teatud suuruse. "Kuidas sa takistad neid muutmast gaasihiiglasteks?" küsib astrofüüsik Roman Rafikov New Jersey osariigis Princetonis edasijõudnute uuringute instituudist.
California Berkeley ülikooli astronoom Eugene Chang ütleb, et akretsiooni pole vaja kiirendada, kui ketas on küllastunud ja gaasirikas. Sisemine ketas, mis on kümme korda tihedam kui Päikesesüsteemi moodustanud, võib hõlpsasti luua ühe või mitu supermaastikku, mis ilmuvad protoplaneetilise ketta viimastel päevadel, kui suurem osa gaasist on juba haihtunud, ütles ta.
Mõned esialgsed tähelepanekud Põhja-Tšiilis asuva suure mm / submillimeetri ALMA teleskoobist toetavad seda ettepanekut. ALMA suudab visuaalselt protoplaneetide ketastest tolmu ja kruusa tekitatavaid raadiosaateid visualiseerida ning vähesed kettad, mida ta seni on uurinud, näivad olevat suhteliselt massilised. Kuid vaatlused pole veel lõplik tõde, sest ALMA pole veel täielikult töövalmis ja seda saab kasutada ainult ketaste välisosade, mitte piirkondade, kus asuvad supermaad, vaatlemiseks. "Näeme siseruume, kui ALMA saab kasutada kõiki oma 66 antenni," ütleb Chang.
Changil on ka seletus Kepleri teisele avastusele: superpuffid, haruldane ja sama problemaatiline planeeditüüp, mis on küll ülimaastlasest kergemad, kuid tunduvad tohutu, kuna nende lopsakas atmosfäär moodustab 20% nende massist. Arvatakse, et sellised planeedid moodustavad gaasirikka ketta. Kuid sisemises ketas ei suuda selline kuuma gaasi maht protoplaneedi nõrga gravitatsiooni jõudude käes hoida, seega on välise ketta külm ja tihe gaas selliste planeetide päritolu tõenäolisem koht. Chang omistab nende tähe lähedal olevate orbiitide rändele - väide, mida toetab asjaolu, et superpuffid leitakse sageli resonantside orbiitidest lõksus.
Siiani on suurem osa eksoplaneetide uurimistööst keskendunud planeedisüsteemide sisemistele osadele, kuni umbes Jupiteri orbiidiga võrdse kauguseni, sel lihtsal põhjusel, et kõik olemasolevad eksoplaneetide tuvastamise meetodid ei võimalda neid leida tähest kaugemal. Kaks peamist meetodit - tähtede vibratsiooni mõõtmine, mis on põhjustatud planeetide gravitatsioonilisest mõjust, ja tähe ketta perioodilise tumenemise mõõtmine, kui planeedid seda läbivad - võimaldavad teil leida suuri planeete lähedastel orbiitidel. Planeetide endi kujutiste jäädvustamine on äärmiselt keeruline, kuna nende nõrk valgus on nende tähtedelt valguse poolt peaaegu uppunud, mis võib olla miljard korda heledam.
Kuid kasutades ära maailma suurimaid teleskoope, suutsid astronoomid näha mitmeid planeete. Tšiilis suurtele teleskoopidele lisatud spektrolarimeetriline suure kontrastsusega süsteem (SPHERE) ja Twin Planet Imager (GPI) on tähtvalguse välistamiseks varustatud keerukate maskidega, mida nimetatakse koronagraafideks. Seetõttu pole üllatav, et nende tähtedest kaugel olevad planeedid on nende jaoks kõige lihtsamad sihtmärgid.
Üks kõige varasematest ja silmatorkavamatest otsese pildistamise abil tuvastatud planeedisüsteemidest on HR 8799 ümbruses olev süsteem, kus neli planeeti asuvad tähelt Saturni orbiidilt rohkem kui kahekordse Neptuuni orbiidi ordeni. Kõige hämmastavam on see, et kõik neli planeeti on tohutud, mis on Jupiteri massist enam kui viis korda suuremad. Teooria kohaselt liiguvad sellistes kaugetes orbiitides olevad planeedid nii aeglaselt, et need peaksid kasvama koos tigu kiirusega ja kogunema massi, mis on gaasi- ja tolmuketta kadumise ajaks oluliselt väiksem kui Jupiteril. Ja sellest hoolimata viitavad nende "head" ümmargused orbiidid sellele, et nad moodustasid kohe nende peal ja ei rännanud neile tähe lähedastest piirkondadest.
Sellised kauged hiiglased toetavad kõige radikaalsemat teooriat, milles mõned planeedid moodustatakse mitte akretsiooni, vaid nn gravitatsioonilise ebastabiilsuse kaudu. See protsess nõuab gaasirikast protoplanetaarset ketast, mis puruneb oma raskuse all "klompideks". Need gaasi kogunemised ühinevad ja varisevad kokku gaasiplaneetideks, moodustamata tahke südamik. Mudelid eeldavad, et mehhanism töötab ainult teatud tingimustel: gaas peab olema külm, see ei tohi pöörduda liiga kiiresti ja surugaas peab suutma soojust tõhusalt eemaldada. Kas see teooria võiks selgitada planeedi HR 8799 ümber olevaid planeete? Rafikovi sõnul on ainult kaks välimist planeeti piisavalt kaugel ja külmad. "See on ikka päris krüptiline süsteem," ütleb ta.
Varem on protoplanetaarsete ketaste raadioteleskoobivaatlused pakkunud teatavat tuge gravitatsioonilise ebastabiilsuse teooriale. Külma gaasi suhtes tundlikud leidsid teleskoobid kettaid, mis olid "pritsunud" koos gaasi kogunemisega. Kuid ALMA uusimad pildid maalivad teistsuguse pildi. ALMA on tundlik lühematel lainepikkustel, kus ketta keskmisel tasapinnal eralduvad tolmuterad ning tema 2014. aasta tähtede HL Tauri ja TW Hydrae kujutised näitasid siledaid sümmeetrilisi kettaid, mille tumedad ümmargused "lüngad" ulatuvad kaugele kaugemale Neptuuni orbiit (vaata joonist allpool). “See oli hämmastav üllatus. Plaat polnud kaootiline, sellel oli meeldiv, korrapärane, ilus ülesehitus,”räägib Rafikov. Need lüngad, mis viitavad neid teinud planeetidele,räägivad selgelt akretsioonimudelit, mis on löök gravitatsioonilise ebastabiilsuse mudeli pooldajatele.
Praegu on veel vara öelda, millised muud üllatused GPI-l ja SPHERE-l on. Kuid planeedisüsteemide kaugemate piirkondade ja kuumade Jupiterite ning super-Maaga tähtede lähedalasuvate piirkondade vaheline piirkond jääb kangekaelselt kättesaamatuks: otsese visualiseerimise jaoks tähe lähedal ja liiga kaugele kaudsete meetodite puhul, mis põhinevad võnketel või lähtetähe pimendamisel. Selle tulemusel on teoreetikutel keeruline saada täielikku pilti eksoplaneetide süsteemide väljanägemisest. "Me tugineme fragmentaarsetele ja mittetäielikele tähelepanekutele," ütleb Laughlin. "Praegu on kõik eeldused ilmselt valed."
Astronoomid ei pea uusi andmeid kaua ootama. NASA käivitab järgmisel aastal Exoplanet Imaging Satellite (TESS), samal ajal peaks ka Euroopa Kosmoseagentuur (ESA) käivitama Exoplanet Characterization Satellite (CHEOPS). Erinevalt Keplerist, kes uuris mitmesuguseid tähti lihtsalt eksoplaneetide tuvastamiseks, keskenduvad TESS ja CHEOPS Päikese lähedal asuvatele tähtedele, võimaldades teadlastel uurida rändavat terra incognita (tundmatud maad - umb. Transl.). Ja kuna sihtmärgid asuvad Päikesesüsteemi lähedal, peaksid maapealsed teleskoobid suutma hinnata avastatud planeetide massi, võimaldades teadlastel arvutada nende tihedusi ja teada, kas need on tahked või gaasilised.
Sel aastal turule jõudva James Webbi teleskoobiga saab veelgi kaugemale minna, analüüsides eksoplaneedi atmosfääri läbiva tähe valgust, et määrata selle koostis. "Kompositsioon on oluline võtme kujundamisel," ütleb Macintosh. Näiteks võib raskete elementide otsimine maakera atmosfäärides näidata, et planeetide tuumade kiireks moodustamiseks on vaja selliste elementide rikas ketas. Ja järgmisel kümnendil liituvad eksoplaneetide jahiga kosmoseaparaadid nagu TESS ja CHEOPS koos uue põlvkonna tohutute maapealsete teleskoopidega, mille peeglid on vähemalt 30 meetrit või enam.
Kui vanad teooriad viimseni aitasid modelleerijatel jalule jääda, siis uute avastuste survel hakkab see vundament murenema ja teadlased peavad jalga püsimiseks higistama. “Loodus on nutikam kui meie teooriad,” ütleb Rafikov.
EGOR MOROZOV
