Zagadka braków w Układzie Słonecznym

Przez wiele wieków jedynym znanym ludziom układem planetarnym był nasz Układ Słoneczny. Nie mieliśmy dowodów na istnienie innych światów poza naszym kosmicznym podwórkiem i wyobrażaliśmy sobie, że gdyby istniały inne układy planetarne, przypominałyby nasz: małe, skaliste globy krążące blisko swoich gwiazd oraz poruszające się dalej olbrzymie planety podobne do Jowisza i Saturna. Naukowcy badali historię naszego Słońca i jego satelitów za pomocą wszystkich dostępnych im narzędzi i wykorzystywali zdobytą wiedzę, aby zrozumieć, w jaki sposób planety tworzą się i ewoluują. Mniej więcej trzy dekady temu astronomowie odkryli egzoplanety krążące wokół gwiazd innych niż nasza. Od tego czasu znaleźliśmy ich tysiące, co zburzyło naszą dotychczasową wiedzę na temat planet.

Okazuje się, że układy planetarne w naszej Galaktyce wykazują niezwykłą różnorodność – w niektórych znajdują się ciasno upakowane planety w egzotycznych konfiguracjach, zaś inne są zdominowane przez muskające swoje gwiazdy gazowe olbrzymy. Obecnie w planetologii rozpoczęła się nowa era: „demografia” egzoplanet. Analizując wzorce rozmiarów, orbit i składu chemicznego odkrywanych planet, naukowcy ujawniają rzeczywiste procesy, które kształtują układy planetarne. To, co znajdujemy, nie jest prostą narracją, ale zagadką: zaskakujące trendy w populacjach planet, które podważają naszą wiedzę o tym, jak powstają i rozwijają się te globy.

Trendy te dostarczają nowych wskazówek pozwalających znaleźć odpowiedzi na fundamentalne pytania. Dlaczego istnieje tak mało planet w określonych przedziałach wielkości – w szczególności „brakujących planet” nieco większych od Ziemi? Dlaczego w naszym Układzie Słonecznym nie ma najbardziej powszechnych typów planet w Galaktyce – większych od Ziemi, ale mniejszych od Neptuna? I być może najważniejsze – jak te odkrycia wpłyną na nasze poszukiwania światów nadających się do życia?

Rozwikływanie tych tajemnic to nie tylko badanie pojedynczych planet – to spojrzenie na całość. Badając wzorce demograficzne egzoplanet, dowiadujemy się nie tylko tego, jak funkcjonują układy planetarne, ale także w jaki sposób nasz Układ Słoneczny wpasowuje się w galaktyczny kontekst. Docelowo chcielibyśmy dowiedzieć się, czy nasza planeta jest rzadkością, czy też warunki, które pozwoliły na powstanie na niej życia występują powszechnie.

Pierwszego potwierdzonego odkrycia egzoplanety dokonano w 1992 roku. Krążą one wokół pulsara – powstałej w wyniku wybuchu supernowej szybko rotującej gwiazdy neutronowej, która emituje fale radiowe. Nadal nie jest jasne, czy planety pulsara przetrwały eksplozję supernowej, czy też powstały z jej szczątków. Tak czy inaczej, są one wyjątkami w zbiorze znanych egzoplanet.

Prawdziwy przełom nastąpił w 1995 roku wraz z odkryciem 51 Pegasi b – pierwszej egzoplanety krążącej wokół gwiazdy podobnej do Słońca. Glob ten całkowicie odbiega od wcześniejszych oczekiwań. Zamiast odległego gazowego olbrzyma, takiego jak Jowisz, 51 Pegasi b to monstrum o masie o połowę mniejszej niż Jowisz, ale orbitujące zadziwiająco blisko swojej gwiazdy, okrążające ją w 4,2 dnia. W tak małej odległości od gwiazdy planeta rozgrzewa się do temperatury około 1000°C – wystarczająco wysokiej, by wyparowały niektóre metale. Chociaż masa 51 Pegasi b stanowi zaledwie połowę masy Jowisza, przy tak ekstremalnej temperaturze gaz pęcznieje, dzięki czemu promień planety jest dwukrotnie większy od promienia Jowisza. Astronomowie nazwali tę dziwną klasę planet „gorącymi jowiszami”.

Istnienie gorących jowiszów wywróciło do góry nogami wiodące modele powstawania planet. Bazowały one na strukturze naszego Układu Słonecznego, w którym skaliste globy krążą blisko Słońca, a gazowe olbrzymy znajdują się znacznie dalej, w chłodniejszych rejonach, gdzie mogą gromadzić wodór i hel. A tu mamy obiekt o masie Jowisza, który w jakiś sposób znalazł się w gorących obszarach swojego układu planetarnego. Jeśli masywne planety mogą formować się tak blisko swoich gwiazd – lub powstawać dalej i przenosić się tam później – czy mogą istnieć inne nieoczekiwane konfiguracje?

Astronomowie odkryli 51 Pegasi b dzięki wahaniom w ruchu gwiazdy, wywołanym przez grawitacyjne oddziaływanie orbitującej planety. Technika ta nazywana jest metodą Dopplera (lub metodą prędkości radialnych). Gdy planeta krąży po orbicie, nieco przyciąga do siebie swoją gwiazdę. Z naszej perspektywy na Ziemi, gwiazda ta przybliża się do nas, a następnie oddala (jeśli orbita znajduje się pod odpowiednim kątem do naszej linii widzenia), co powoduje, że światło gwiazdy na przemian przesuwa się to ku czerwieni, to ku błękitowi. Analogicznie, wysokość dźwięku syreny karetki wzrasta, gdy pojazd się zbliża, i zaczyna spadać, gdy nas minie. Im masywniejsza planeta i im jej orbita jest ciaśniejsza, tym większe są wahania gwiazdy i tym łatwiej jest je wykryć.

Z tego powodu pierwszymi egzoplanetami odkrytymi tą metodą były gorące jowisze – i dlatego z użyciem tej techniki najczęściej wykrywane są duże planety na ciasnych orbitach. Gdy dzięki metodzie prędkości radialnych znajdowano coraz więcej planet, zaczęto dostrzegać pewne prawidłowości. Do 2008 roku, po zbadaniu setek gwiazd, naukowcy odkryli, że wokół około 10% obiektów podobnych do Słońca krążą planety olbrzymy w odległości kilkukrotnie większej od odległości Ziemia-Słońce (zwanej jednostką astronomiczną). Jednakże na te wczesne wzorce wpływ miała selekcja obserwacyjna.

Znaczący krok naprzód w dziedzinie demografii planetarnej nastąpił, gdy NASA wystrzeliła Kosmiczny Teleskop Keplera. Obserwując nieprzerwanie przez cztery lata ponad 150 tys. gwiazd, Kepler, za pomocą tzw. metody tranzytu, wykrył tysiące planet. Szukał on małego pociemnienia światła gwiazdy, które występuje, gdy, z naszego punktu widzenia, planeta się przed nią przesuwa. Wyniki były zaskakujące. Erik A. Petigura, mój promotor pracy doktorskiej na University of California w Los Angeles, przeanalizował dane z Keplera i wykazał, że wokół połowy wszystkich gwiazd podobnych do Słońca krąży co najmniej jedna planeta o rozmiarach w zakresie od Ziemi do Neptuna. Takie planety, których w ogóle nie ma w naszym Układzie Słonecznym, wydają się wykonywać pełne obiegi swoich gwiazd w ciągu tygodni lub miesięcy, a nie lat. Patrząc z perspektywy czasu, przekonanie, że nasz Układ Słoneczny jest galaktycznym wzorcem, było krótkowzroczne. Jednak ponieważ w astronomii zwykle bezpiecznie jest zakładać, że nasze położenie jest typowe, więc myślę, że można nam to wybaczyć.

W miarę jak próbka Keplera rosła, tajemnica stawała się coraz bardziej wyrazista. Astronomowie zauważyli uderzający brak planet o rozmiarach od 1,6 do 1,9 promienia Ziemi, co nazwali luką w promieniach. Odkrycie to nie było wynikiem selekcji obserwacyjnej – po uwzględnieniu wszystkich efektów selekcji i błędów w obserwacjach, luka pozostała. Jakiś szczegół procesu formowania lub ewolucji planet uniemożliwia im uzyskanie takiego pośredniego rozmiaru. Najprawdopodobniej coś usuwa atmosfery z planet o tym zakresie promieni.

Dodatkowym elementem tej zagadki jest zjawisko znane jako „pustynia gorących neptunów”. Widać wyraźny brak planet wielkości Neptuna na orbitach o okresach obiegu krótszych niż około trzy dni. Przyczyny tego niedoboru są wciąż przedmiotem badań, ale do tego trendu prawdopodobnie przyczyniają się niezwykle silne promieniowanie bardzo bliskich gwiazd i siły pływowe. Podobnie jak w przypadku mniejszych planet o masach zbliżonych do tych z luki w promieniach, neptuny o krótkim okresie obiegu są szczególnie podatne na utratę atmosfery. Z czasem ich grube gazowe otoczki mogą zostać całkowicie usunięte; pozostałością są nagie, skaliste rdzenie, które moglibyśmy sklasyfikować jako superziemie – przeskalowane wersje naszego skalistego globu.

Naukowcy uważają, że pustynia gorących neptunów jest bardziej ekstremalnym przypadkiem tych samych procesów, które tworzą lukę w promieniach. (W miarę gromadzenia kolejnych obserwacji niektóre modele przewidywały nawet, że cechy te są konsekwencją promieniowania emitowanego przez gwiazdy).

Dalsze obserwacje prędkości radialnych za pomocą naziemnych teleskopów dodały kolejny kluczowy element do układanki. Mierząc masy znanych egzoplanet, astronomowie odkryli, że luka w promieniach odpowiada zmianom w ich składzie chemicznym. Planety o masach poniżej luki są gęste i skaliste, jak Ziemia, podczas gdy obiekty cięższe mają niższą gęstość, co wskazuje na istnienie rozbudowanych atmosfer. Mniejsze planety wydają się superziemiami, natomiast większe to „minineptuny” ze skalistymi jądrami otoczonymi przez grube warstwy wodoru i helu.

Ten wzorzec demograficzny rodzi fundamentalne pytania. Czy wszystkie małe planety zaczynają żywot, mając rozbudowane atmosfery, a niektóre z czasem je tracą? A może od razu mają różne składy chemiczne? Ostatnie obserwacje planet tracących swoje atmosfery wskazują, że utrata gazu odgrywa znaczącą rolę.

Astronomowie sądzą, że za usuwanie atmosfer z planet lub utrudnianie ich powstawania odpowiada kilka procesów. Dwa główne z nich to fotoewaporacja i utrata masy przez jądro. Razem mogą one wyjaśnić lukę w promieniach i pustynię gorących neptunów.

Fotoewaporacja jest jednym z najlepszych wyjaśnień luki w promieniach. Kiedy młode gwiazdy rozpalają się, emitują ekstremalne promieniowanie ultrafioletowe i rentgenowskie, a także potężne wiatry naładowanych cząstek. Planety, które krążą zbyt blisko swoich gwiazd-gospodarzy, są skąpane w tym promieniowaniu, a ono podgrzewa ich atmosfery do punktu, w którym cząsteczki mogą uciec w przestrzeń kosmiczną.

Wyobraźmy sobie dwie nowo powstałe planety krążące w tej samej odległości od swoich gwiazd, z których każda ma skaliste jądro i sporą wodorowo-helową otoczkę gazową. Planeta A ma mniejszą masę i słabszą grawitację, więc kiedy gwiazda pompuje w nią energię, nie jest ona w stanie utrzymać swojej atmosfery. Szybko traci cały gaz i staje się gęstą, skalistą superziemią. Kiedy obserwujemy ten układ, planeta bez atmosfery wydaje się mniejsza. Planeta B ma jednak większą masę i silniejszą grawitację, co pozwala jej zachować znaczną część atmosfery. Kiedy obserwujemy ten układ, planeta wydaje się duża dzięki swojemu lekkiemu i rozdętemu pierwotnemu kokonowi.

Z teorii fotoewaporacji wynika kilka przewidywań, które pasują do obserwowanych wzorców. Dla przykładu, luka w promieniach powinna maleć wraz z okresem orbitalnym, ponieważ planety znajdujące się bliżej gwiazd doświadczają intensywniejszego promieniowania, i, aby przetrwać z zachowaną atmosferą, muszą mieć większą masę. Podobnie, widzimy brak planet wielkości Neptuna na orbitach krótszych niż trzy dni w pustyni gorących neptunów. W tym zakresie proces usuwania atmosfer jest tak skuteczny, że przetrwać mogą jedynie planety ze skalistym jądrem.

Drugi mechanizm odpowiedzialny za zanik atmosfer planet to utrata materii zasilana przez jądro. Jej źródłem jest ciepło generowane wewnątrz planety. Po zakończeniu procesu formowania planety zachowują znaczne ilości ciepła powstałego wskutek kurczenia się obiektów. Gdy planeta stygnie, ta energia wewnętrzna może podgrzewać podstawę atmosfery, unosząc pierwotną otoczkę i pomagając gazowi uciec, wspomagając efekty wywołane przez promieniowanie gwiazdy.

W procesie utraty materii zasilanej przez jądro mniejsze i lżejsze planety, o słabszej grawitacji i mniejszej ilości izolującego gazu, tracą swoje atmosfery od dołu, stygnąc przez setki milionów lat. Z kolei grawitacja większych planet jest tak silna, że zachowują one swoje otoczki pomimo wewnętrznego grzania. Mechanizm ten jest również zgodny z luką w promieniach, ponieważ w wyniku działania tego procesu najbardziej podatne na utratę atmosfery są planety średniej wielkości.

Zgodnie z tymi teoriami, gorące planety stygną, a promieniowanie gwiazd rozgrzewa ich atmosfery. Astronomowie uważają, że funkcjonują oba mechanizmy, ale nadal nie ma pewności, który z nich ma silniejszy wpływ na ewolucję planet. Prawdopodobnie zależy to od specyficznych warunków panujących na danej planecie.

Swój udział mogą mieć również inne procesy. Dla przykładu, koncepcja szybkiego wrzenia zakłada, że we wczesnych etapach rozwoju planety, krótko po uformowaniu się jej macierzystej gwiazdy, otaczający ją dysk – zawierający surowe składniki wykorzystywane do tworzenia planet – zostaje usunięty. W efekcie szybki spadek ciśnienia wokół planety może wywołać gwałtowne wrzenie jej atmosfery.

Ponadto planety mogą powstawać w środowiskach ubogich w gaz. Takie globy od początku nie miałyby gęstej atmosfery i byłyby czysto skalistymi ciałami. I wreszcie, potężne zderzenia młodych planet mogą pozbawiać je atmosfer, pozostawiając nagie, skaliste jądra. Chociaż proces ten prawdopodobnie występuje raczej rzadko, może tłumaczyć istnienie niektórych populacji planet.

Dzięki najnowszym obserwacjom udało się dostrzec działanie kilku z tych procesów, co dostarczyło bezpośrednich dowodów na ucieczkę atmosfer. Ponieważ planety najprawdopodobniej pozbywają się materii, gdy są młode, w większości możliwych do zbadania małych planet nie dochodzi do znaczącej utraty atmosfery. Istnieje jednak korzystny scenariusz do obserwacji ucieczki atmosfery w czasie rzeczywistym: gazowy olbrzym na ciasnej orbicie, znany również jako gorący jowisz.

Dobrym przykładem jest planeta WASP-69b, którą moja grupa obserwowała za pomocą teleskopu w Obserwatorium W. M. Kecka na Hawajach. WASP-69b to gazowy olbrzym wielkości Jowisza o masie Saturna, orbitujący tak blisko swojej gwiazdy, że pełny obieg zajmuje planecie zaledwie 3,8 dnia. W artykule opublikowanym w 2024 roku opisaliśmy wypływy materii z tej planety, które potwierdzają, że aktywnie traci ona hel. W tym przypadku mechanizmem utraty materii musi być fotoewaporacja. Planeta jest zbyt masywna, aby tracić materiał wskutek wewnętrznego grzania; jest ona jednak bombardowana przez wysokoenergetyczne promieniowanie emitowane przez swoją macierzystą gwiazdę. Nasze obserwacje wykazały, że WASP-69b traci około 200 000 ton na sekundę, czyli jedną masę Ziemi na miliard lat. Co więcej, zaobserwowano szybkie zmiany kształtu wypływającego gazu: czasami przypomina on warkocz komety rozciągający się na ponad 550 tys. km, a innym razem wydaje się znacznie mniej prominentny.

Te różnice w wypływach prawdopodobnie wynikają ze zmian w aktywności macierzystej gwiazdy. Podobnie jak nasze Słońce przechodzi przez okresy zwiększonej i zmniejszonej aktywności podczas 11-letniego cyklu magnetycznego, również gwiazdy mogą wykazywać sezony o większej lub mniejszej intensywności promieniowania i powstawania rozbłysków. Okresy wzmożonej aktywności gwiazdy mogą zwiększać prędkość ucieczki atmosfery i zmieniać kształt materiału uciekającego z planety. Dynamiczna interakcja między gwiazdą a planetą pokazuje, że ucieczka atmosfery może nie być stałym, jednolitym procesem, nawet w przypadku bardziej dojrzałych planet. Jest to raczej ciągła walka kształtowana zarówno przez charakter planety, jak i temperament jej gwiazdy.

Obserwacje wypływu materii w czasie rzeczywistym prowadzone przez nas i przez innych naukowców pokazują, w jaki sposób zjawisko fotoewaporacji może wyjaśnić zarówno lukę w promieniach, jak i pustynię gorących neptunów. Dla danej odległości orbitalnej istnieje minimalna masa planety, która pozwala jej zachować atmosferę pomimo ataku wysokoenergetycznego promieniowania gwiazdy. Luka w promieniach oddziela planety, których masa jest wystarczająca dla utrzymania atmosfery, od planet lżejszych. Pustynia gorących neptunów to dowód na to, że zjawisko to nasila się, gdy planeta zbliża się do gwiazdy, a jej promieniowanie narasta wykładniczo. Przy odpowiedniej odległości od gwiazdy tylko gorące jowisze mają wystarczającą masę, aby utrzymać atmosferę – wszystkie inne planety muszą stać się czysto skalistymi globami.

Następna dekada powinna być ekscytującym etapem w pogłębianiu naszej wiedzy na temat demografii planet. Chociaż większość astronomów zgadza się, że utrata atmosfer jest głównym powodem, dla którego nie widzimy nieco większych ziem lub gorących neptunów na ciasnych orbitach, drobniejsze szczegóły pozostają nadal niejasne. Czy dominującym czynnikiem jest fotoewaporacja wywoływana przez promieniowanie gwiazdy? A może większą rolę odgrywa utrata materii zasilana wewnętrznym ciepłem planety? Wyjaśnienie udziału tych mechanizmów wymaga nowej generacji teleskopów i instrumentów zdolnych do precyzyjnego pomiaru masy, składu chemicznego planet i parametrów atmosfer planetarnych.

Mamy nadzieję lepiej poznać zależność luki w promieniach od typu gwiazdy. W przypadku gwiazd o małej masie, takich jak karły typu M, luka w promieniach wydaje się przesuwać – mniejsze planety obiegające takie gwiazdy częściej zachowują atmosferę, ponieważ są wystawione na słabsze promieniowanie, niż ma to miejsce w przypadku większych gwiazd. Luka w promieniach jest zwykle mniej ostra, ponieważ gwiazdy o małej masie emitują inne rodzaje promieniowania niż większe gwiazdy. Skład chemiczny jąder planet krążących wokół tych gwiazd jest również bardziej zróżnicowany, a układy te mogą charakteryzować się zwiększoną częstością silnych zderzeń.

Planety karłów typu M krążą blisko, w obszarach, w których aktywność gwiazdy (taka jak rozbłyski i wiatry) może mieć duży wpływ na utrzymanie atmosfery. Szczegółowe oględziny tych globów wykazały, że niektóre z nich mogą zawierać znaczne ilości wody, potencjalnie w postaci głębokich globalnych oceanów leżących pod bogatymi w wodór atmosferami. Te „wodne światy” zajmowałyby wyjątkową pozycję w demografii planet, rzucając wyzwanie prostym modelom skalistych superziem i bogatych w gaz minineptunów.

Do testowania naszych modeli niezbędne będą nowe instrumenty naziemne, takie jak Keck Planet Finder (Poszukiwacz Planet Kecka), który niedawno został uruchomiony w Obserwatorium Kecka, a także inne wysoce precyzyjne przyrządy służące do pomiaru prędkości radialnych. Umożliwiając pomiary mas planet dla szerokiego zakresu typów gwiazd, eksperymenty te pomogą nam określić, czy masy superziem i subneptunów są zgodne z przewidywaniami różnych modeli. W przypadku układów wieloplanetarnych takie dane mogą pomóc wyodrębnić wpływ historii promieniowania gwiazd, umożliwiając badaczom porównanie planet, które powstały w podobnych warunkach.

Wysłana przez NASA misja Transiting Exoplanet Survey Satellite (Satelita Poszukujący Tranzytujących Egzoplanet; TESS) prowadzi długotrwałe i rozszerzone monitorowanie nieba, które może doprowadzić do odkrycia planet poruszających się wokół swoich gwiazd po nieco szerszych orbitach niż większość znanych nam globów. Liczba znanych małych egzoplanet o dłuższych okresach orbitalnych jest obecnie niewielka, a zatem odkrycia te dostarczą kluczowych danych do zrozumienia, w jaki sposób utrata atmosfery i jej skład zmieniają się w szerszym zakresie środowisk planetarnych.

Wielki krok naprzód powinien nastąpić wtedy, gdy w ciągu najbliższych dziesięcioleci uruchomione zostaną gigantyczne teleskopy. Oczekuje się, że naziemne superteleskopy, takie jak European Southern Observatory’s Extremely Large Telescope, zarejestrują pierwsze światło pod koniec obecnej dekady. Instrumenty te będą doskonale nadawać się do obserwacji młodych, jasnych planet, które wciąż świecą dzięki ciepłu powstającemu podczas ich formowania. Takie gigantyczne teleskopy dostarczą istotnych informacji na temat chaotycznych wczesnych etapów ewolucji planet, kiedy atmosfery są najbardziej podatne na utratę.

Habitable Worlds Observatory (Obserwatorium Światów Mogących Podtrzymywać Życie), flagowy teleskop kosmiczny NASA, ma zostać wystrzelony w 2040 roku. Ma on wykrywać i badać planety podobne do Ziemi w egzosferach gwiazd podobnych do Słońca. Jego zadaniem będzie bezpośrednie obrazowanie tych globów i analiza ich atmosfer w poszukiwaniu śladów tlenu, metanu i pary wodnej – kluczowych składników ewentualnego życia.

To, czego dowiemy się dzięki tym nowym instrumentom, wykroczy daleko poza demografię planet. Badając, w jaki sposób planety tracą lub zachowują swoje atmosfery, odkrywamy tajemnice możliwości powstawania życia oraz siły, które rzeźbią światy w całej Galaktyce, a także jej różnorodność.

Nasz Układ Słoneczny, niegdyś uważany za wzorzec wszystkich układów planetarnych, jest teraz tylko jedną z niezliczonych możliwości – unikatową konfiguracją w niezwykle różnorodnym kosmosie. Większość gwiazd ma planety niepodobne do niczego w naszym kosmicznym sąsiedztwie, przypominając nam, że Wszechświat jest bogatszy i bardziej zaskakujący, niż sobie wyobrażaliśmy. Odkrywając siły, które kształtują te odległe światy, zbliżamy się do odpowiedzi na niektóre z najstarszych pytań ludzkości: Czy planety takie, jak Ziemia, występują powszechnie? Czy wśród gwiazd istnieje inne życie? I jakie tak naprawdę jest nasze miejsce w tym ogromnym i misternym Wszechświecie?