W najnowszej pracy opublikowanej na łamach „Science” międzynarodowy zespół badaczy, w skład którego wchodzą astronomowie z prowadzonego w Obserwatorium Astronomicznym UW wielkoskalowego przeglądu nieba OGLE, kierowanego przez prof. Andrzeja Udalskiego, przedstawia szczegółowe badania dotyczące małomasywnych planet pozasłonecznych krążących w dużych odległościach wokół swoich macierzystych gwiazd. Wyniki wskazują, że tzw. zimne super-Ziemie są powszechnym składnikiem układów planetarnych – przeciętnie występują w co trzecim systemie wokół gwiazd Drogi Mlecznej.

Wizja artystyczna pokazująca, jak powszechne są super-Ziemie w porównaniu z gazowymi olbrzymami
fot. Westlake University

Jeszcze 30 lat temu nie znaliśmy żadnej planety pozasłonecznej krążącej wokół gwiazdy podobnej do Słońca. Ostatnie trzy dekady przyniosły ogromny przełom w tej dziedzinie – od pierwszych odkryć w latach 90. XX wieku astronomowie przeszli do rutynowego wykrywania planet pozasłonecznych dzięki wdrożeniu nowych metod obserwacyjnych, takich jak technika tranzytów czy mikrosoczewkowania grawitacyjnego. Projekt OGLE (Optical Gravitational Lensing Experiment) był jednym z pionierów tych rozwiązań i od ponad 33 lat prowadzi jeden z największych fotometrycznych przeglądów nieba.

Początek poszukiwań planet z kosmosu – m.in. przy użyciu satelitów Kepler i TESS – zapoczątkował skokowy wzrost liczby znanych planet pozasłonecznych. Dzięki temu astronomowie dysponują dziś dużą próbą systemów planetarnych, co pozwala prowadzić ich analizę statystyczną. Rozkłady mas planet oraz ich odległości od gwiazd dostarczają informacji o procesach formowania i ewolucji układów planetarnych.

Mikrosoczewkowanie

Warto jednak podkreślić, że metody detekcji planet mają swoje ograniczenia. Najczulsze są układy, w których planety krążą stosunkowo blisko swoich gwiazd, dlatego znamy dziś przede wszystkim obiekty o krótkich okresach orbitalnych – poniżej jednego roku. W tej grupie szczególnie licznie występują tzw. super-Ziemie – planety o masach między masą Ziemi a Neptuna (~17 mas Ziemi), których własności statystyczne są już dość dobrze poznane.

Znacznie mniej wiadomo o planetach znajdujących się dalej od gwiazd – poza tzw. linią śniegu (1–2 jednostki astronomiczne od gwiazdy; jednostka astronomiczna: odległość Ziemia–Słońce), gdzie woda występuje w postaci lodu, a warunki sprzyjają powstawaniu olbrzymów gazowych, takich jak Jowisz czy Saturn. W praktyce jedynie technika mikrosoczewkowania grawitacyjnego pozwala na detekcję planet w tych odległych rejonach. Zjawiska mikrosoczewkowania są jednak rzadkie, a liczba znanych w ten sposób planet jest znacząco mniejsza niż tych wykrytych innymi metodami.

Wizja artystyczna pokazująca, jak powszechne są super-Ziemie w porównaniu z gazowymi olbrzymami
fot. Westlake University

Dzięki metodzie mikrosoczewkowania uzyskano już informacje o częstości występowania masywnych planet typu jowiszowego na dalekich orbitach. Wciąż jednak niewiele wiadomo na temat występowania w tych obszarach mniej masywnych planet – typu super-Ziemi.

Rekordzistka

W pracy opublikowanej w tygodniku „Science” autorzy podjęli się scharakteryzowania tak właśnie położonych, małomasywnych planet wykrytych metodą mikrosoczewkowania grawitacyjnego.

Opisano m.in. szczegółową analizę planety znalezionej w zjawisku mikrosoczewkowania OGLE-2016-BLG-0007, odkrytym w lutym 2016 roku przez zespół OGLE. Analiza wykazała, że obiekt ten ma masę porównywalną z masą Ziemi i krąży wokół gwiazdy o masie 0,6 masy Słońca w odległości około 10 jednostek astronomicznych.

– To typowa bardzo małomasywna super-Ziemia krążąca po orbicie podobnej do orbity Saturna w naszym układzie planetarnym. Nowa rekordzistka w tym zakresie – opisuje odkrytą planetę prof. Andrzej Udalski kierownik projektu OGLE.

Mikrosoczewkowe anomalie wywołane przez małomasywne planety są wyjątkowo krótkotrwałe – trwają zwykle zaledwie około jednego dnia – i wymagają ciągłych, całodobowych obserwacji. Do dalszej analizy własności odległych super-Ziem wykorzystano dane nowo odkrytej planety w zjawisku OGLE-2016-BLG-0007 oraz 63 innych małomasywnych planet mikrosoczewkowych znalezionych wcześniej w zjawiskach mikrosoczewkowania z lat 2016–2019, które były obserwowane przez koreański projekt KMTNet, dysponujący możliwością 24-godzinnego monitorowania nieba. 38 z tych zjawisk mikrosoczewkowania zostało odkrytych przez zespół OGLE.

Po uwzględnieniu czułości detekcji określono rozkład częstości występowania planet w zależności od masy. Okazało się, że zimne super-Ziemie są bardzo powszechne – typowo występują wokół co trzeciej gwiazdy w Drodze Mlecznej.

Co więcej, rozkład częstości występowania planet nie jest potęgową funkcją masy planety. Lepsze dopasowanie uzyskano przy użyciu funkcji złożonej z dwóch składników o profilu odpowiadającym funkcji Gaussa. Może to świadczyć o różnicach w procesie formowania się planet o różnych masach.

Różne scenariusze

Zgodny z obserwacjami może być scenariusz jednego procesu formowania planet, w którym tylko powyżej pewnego progu masy jądra powstają planety gazowe, a poniżej – super-Ziemie. Alternatywą może być scenariusz dwóch odrębnych procesów planetotwórczych dla różnych mas – np. procesów akrecyjnych i niestabilności w dysku protoplanetarnym.

Przedstawiona w pracy analiza częstości występowania planet jest znacznym postępem w dziedzinie badań planet pozasłonecznych. Trwające i planowane przeglądy mikrosoczewkowe pozwolą w najbliższych latach zwiększyć liczbę znanych planet tego typu i zweryfikować wyniki opisane w pracy.

– Ogromne nadzieje wiążemy z misją kosmiczną Roman agencji NASA, planowaną na 2027 rok. Może ona zrewolucjonizować badania planet wykrywanych metodą mikrosoczewkowania – podobnie jak misja Kepler odmieniła badania planet tranzytujących – podsumowuje dr Przemek Mróz, współautor artykułu w „Science” i odkrywca wielu planet pozasłonecznych.



Źródło: Biuro Prasowe Uniwersytetu Warszawskiego, science.org.