Planety łączą się w pary. Intrygujące odkrycie astronomów

Astronomowie z Europejskiej Agencji Kosmicznej przy pomocy Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba odkryli setki planet swobodnych w Gromadzie Trapez, która znajduje się w Mgławicy Oriona. Większość z nich ma masę zbliżoną lub większą od Jowisza, a niektóre z nich przemierzają bezkres kosmosu... w parach.

Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) pierwsze zdjęcia wykonał w 2022 roku. Niedawno ujawnił obecność setek planet swobodnych w gromadzie Trapez, zlokalizowanej w Mgławicy Oriona. Planety swobodne, nazywane czasem planetami samotnymi, to nieuchwytne obiekty. Nie są związane grawitacyjnie z żadną gwiazdą. Są one odizolowane, płyną swobodnie w przestrzeni kosmicznej. Możliwe, że wcześniej były częścią jakiegoś układu planetarnego, z którego zostały wyrzucone w wyniku wzajemnych oddziaływań między protoplanetami na wczesnym etapie formowania się systemu planetarnego. Choć jest wiele innych mechanizmów, które mogłyby do tego doprowadzić. To jedne z bardziej tajemniczych obiektów astronomicznych. Ponieważ samotnie przemierzają bezkres kosmosu i nie krążą wokół żadnej gwiazdy, która rzucałaby na nie swoje światło, bardzo trudno je wykryć.

Dalsza część artykułu pod materiałem wideo

Do niedawna znanych było niewiele podobnych światów. Głośnym echem odbiły się badania opublikowane pod koniec 2021 roku, w których astronomowie odkryli za jednym zamachem 70 takich obiektów (więcej na ten temat w tekście: Astronomowie odkryli największą do tej pory grupę planet swobodnych). Ale nowe odkrycia przewyższają te sprzed kilku lat.

W Gromadzie Trapez w Mgławicy Oriona astronomowie odkryli setki obiektów niezwiązanych z żadną gwiazdą. Ich masy są podobne do masy Jowisza z naszego Układu Słonecznego. Co więcej, część z odkrytych planet swobodnych dryfuje po galaktyce w parach. Uczeni obecnie nie znają żadnego mechanizmu, który byłby odpowiedzialny za powstawania takich układów podwójnych planet swobodnych.

Astronomowie odkryli 42 pary złożone z planet swobodnych. Roboczo nadali im nazwę JuMBO (z j. ang. Jupiter Mass Binary Objects).

Wyniki i opis obserwacji został zaakceptowany do publikacji na łamach pisma "Nature", a obecnie można się z nim zapoznać w bazie preprintów arXiv.org (DOI: 10.48550/arXiv.2310.01231).

W miarę jak odkrywamy coraz więcej obcych światów w kosmosie, staje się coraz bardziej jasne, że nasze zrozumienie mechanizmów formowania się planet czy innych struktur ma poważne luki. Ostatnie odkrycia mogą pomóc je uzupełnić.

Uczeni uważają, że najwięcej planet swobodnych można znaleźć w obłokach gwiazdotwórczych. To dlatego, że wiele gwiazd znajdujących się blisko siebie może zakłócać funkcjonowanie układów planetarnych. Ich oddziaływania grawitacyjne mogą z łatwością wyprowadzić planetę z jakiegoś systemu. Z kolei symulacje komputerowe sugerują, że planety swobodne mogą być niezwykle powszechne. W Mgławicy Oriona już wcześniej odkrywano podobne obiekty, ale znacznie większe. Mgławica ta jest najbliższym Ziemi dużym obszarem gwiazdotwórczym. Znajduje się około 1400 lat świetlnych od Ziemi.

Dotychczas trudno było dostrzec mniejsze planety swobodne, zwłaszcza na tle jasnej Mgławicy Oriona. Takie obiekty o masie planety są stosunkowo chłodne i emitują większość światła w podczerwieni. Jednak możliwości JWST pozwoliły na dostrzeżenie też tych mniejszych. Dlatego, że teleskop Webba obserwuje Wszechświat właśnie w podczerwieni.

- Szukaliśmy bardzo małych obiektów i je znaleźliśmy. Odkryliśmy planety o masie jednej masy Jowisza, a nawet o masie połowy masy Jowisza, unoszące się swobodnie, niezwiązane z żadną gwiazdą – powiedział Mark McCaughrean z Europejskiej Agencji Kosmicznej.

Odkryte JuMBO, czyli obiekty podwójne o masie Jowisza, mają około miliona lat. Ich temperatury mają około 600-700 stopni Celsjusza. Analiza słabego światła, które emitują, ujawniła ślady pary wodnej, tlenku węgla i metanu w ich atmosferach. To nie odbiega od typowego składu młodego gazowego olbrzyma.

Problem z JuMBO polega na tym, że występują w parach. Dwa powiązane grawitacyjnie obiekty o masach planet są naprawdę trudne do wyjaśnienia.

Gwiazdy powstają, gdy materia w obłoku molekularnym zapada się pod wpływem własnej grawitacji. Wirując, pobiera coraz więcej materiału z otaczającego je obłoku, który tworzy dysk zasilający gwiazdę. Podczas tego procesu dysk może rozpaść się, powodując utworzenie drugiej gwiazdy. W ten sposób rodzi się gwiazda podwójna. Jednak teoretyczna dolna granica masy obiektu powstającego w tym scenariuszu wynosi około trzech mas Jowisza.

Mniejsze obiekty, takie jak planety, powstają w dysku materii wokół młodej gwiazdy. Symulacje sugerują, że młode planety mogą zostać bardzo łatwo wyrzucone ze swoich układów w wyniku oddziaływań grawitacyjnych z inną planetą bądź z gwiazdą. Jednak mechanizmy związane z tym procesem nie prowadzą do powstania układów podwójnych planet.

Zatem odkryte pary planet mogą być nieudanymi gwiazdami podwójnymi, które nie osiągnęły odpowiedniej masy, by stać się pełnoprawnym układem podwójnym gwiazd. Być może dryfujące w bezkresie kosmosu planety swobodne mogły się odnaleźć i związać grawitacyjnie w parę. Tej koncepcji uczeni nie wykluczają, ale podkreślają, że byłoby to dość rzadkie zjawisko. Tymczasem w Gromadzie Trapez odkryto 42 takie pary. McCaughrean sugeruje, że brakuje nam czegoś fundamentalnego w naszym zrozumieniu mechanizmów formowania się planet.

Uczeni planują dalsze obserwacje JuMBO. Mają już nawet zarezerwowany czas JWST w marcu.

Źródło: Science Alert, The Guardian, BBC, fot. NASA, ESA, CSA / Science leads and image processing: M. McCaughrean, S. Pearson. Na zdjęciu Mgławica Oriona.