Dlaczego obserwujemy tak mało planet 1,5-2 razy większych od Ziemi?

We Wszechświecie czegoś brakuje. Gdzie są te wszystkie egzoplanety?

Do tej pory zidentyfikowano i potwierdzono istnienie ponad 4000 egzoplanet. Z tej populacji wyłonił się ciekawy wzór – jest niezwykle mało planet pozasłonecznych o rozmiarach 1,5-2 razy większych od Ziemi, orbitujących swoich gwiazd. Dlaczego?

Zjawisko znane jako szczelina o małym promieniu planety to obserwowany niedobór planet o promieniu od 1,5 do 2 razy większym niż promień Ziemi. Astronomowie są coraz bliżej rozwiązania tej zagadki. Według obserwacji, symulacji i opracowanych modeli, prawdopodobne jest, że egzoplanety o takich rozmiarach istniały, ale „skurczyły” się z czasem.

Planety nie są statycznymi kulami skał i gazu, za które czasami mamy tendencję je uważać.

Trevor David, astrofizyk z Flatiron Institute w Nowym Jorku

Gdzie one są?

Szczelina o małym promieniu planety po raz pierwszy została zidentyfikowana w 2017 r. Jest szczególnie interesująca, bo mieści się między dwoma klasyfikacjami egzoplanet – światami wielkości Ziemi oraz tzw. minineptunami, które są mniejsze od Neptuna, ale mają bardzo grube atmosfery, podobne do właśnie tej planety.

Istnieje kilka możliwych scenariuszy, które naukowcy zaproponowali w celu wyjaśnienia tej dziwnej anomalii. Jednym z nich jest to, że planety mogły po prostu uformować się w ten sposób, z obłoków materii, które są zbyt skąpe, aby zbudować atmosferę podobną do Neptuna. Dominuje jednak teoria mówiąca, że egzoplanety początkowo były większe, a następnie kurczyły się z powodu utraty atmosfery.

Ten pomysł był już wcześniej badany, ale zespół Davida dodał do analiz nowy parametr: wiek egzoplanet, które tworzą się w tym samym czasie co ich gwiazdy. Wybrali oni grupę obiektów o rozmiarach maksymalnie 10 razy większych od Ziemi z California-Kepler Survey, projektu mającego na celu zmierzenie dokładnych właściwości egzoplanet i ich gwiazd macierzystych.

Dane te pozwoliły im na dokładne uzyskanie populacji o odpowiednim zakresie rozmiarów. Następnie obliczono wiek gwiazd na podstawie ich składu chemicznego i fluktuacji światła – dwóch właściwości, które są powiązane z wiekiem gwiazdy.

Kolejnym krokiem było podzielenie układów na dwie populacje – te młodsze niż około 2 miliardy lat i te starsze. Warto wspomnieć, że Układ Słoneczny ma około 4,6 miliarda lat. Gdy już to zrobiono, badacze zauważyli interesujący wzór.

Kurczące się planety

Okazało się, że szczelina o małym promieniu planety nie jest całkowicie pusta, a rozkład egzoplanet w niej wydaje się być podzielony według wieku. W przypadku młodszych układów, szczelina była najbardziej pusta w obszarze o promieniu 1,6 promienia Ziemi. Dla starszych układów, była ona najbardziej pusta dla obiektów o ok. 1,8 promienia Ziemi.

Zespół badawczy zinterpretował to w ten sposób, że niektóre minineptuny kurczą się dość drastycznie w ciągu miliardów lat, tracąc swoje atmosfery, by w końcu pozostawić za sobą tylko nagie jądro – coś, co zaobserwowano u egzoplanet. Co jest przyczyną utraty atmosfery, tego jeszcze nie wiadomo.

Jednym z proponowanych scenariuszy jest bombardowanie asteroidami lub meteorami. Biorąc pod uwagę, że obserwowany proces trwa miliardy lat, jest to mało prawdopodobne – bombardowanie pozbawiłoby atmosferę w znacznie krótszym czasie, poniżej 100 milionów lat.

Pozostają więc dwie główne opcje. Pierwszą z nich jest fotoparowanie, gdzie bliskość gwiazdy i planety jest wystarczająca, aby promieniowanie gwiazdy usunęło atmosferę. Druga to chłodzenie jądra, gdzie ciepło uciekające z jądra planety dostaje się do atmosfery i pomaga pozbyć się jej z wnętrza. Te dwa różne procesy zachodzą w różnych skalach czasowych, z których obie pasują do obserwacji zespołu Davida. Oznacza to, że potrzeba więcej analiz, aby określić, co dokładnie powoduje kurczenie się egzoplanet.

Prawdopodobnie oba efekty są ważne, ale będziemy potrzebować bardziej zaawansowanych modeli, aby stwierdzić, jak bardzo każdy z nich przyczynia się do tego i kiedy.

Trevor David

Chcesz być na bieżąco z CHIP? Obserwuj nas w Google News