Egzoplanety to ciastka z dwóch foremek
Jeszcze 30 lat temu naukowcy nie byli pewni, czy poza naszym Układem Słonecznym istnieją jakiekolwiek planety. Obecnie znamy ich już ponad 5 tys. Jednak gdy astronomowie wyznaczyli rozmiary tych egzoplanet, pojawiła się dziwna luka. Mamy mnóstwo „super-Ziemi”, czyli skalistych kul o średnicy około 1,4 razy większej niż Ziemia. Jest też wiele „mini-Neptunów”, które są mniej więcej 2,4 razy szersze od Ziemi. Bardzo niewiele planet mieści się pomiędzy – to prawie tak, jakby większość globów została skrojona z użyciem jednej z dwóch foremek do wycinania ciastek. Nowy model opublikowany w czasopiśmie „Astrophysical Journal Letters” oferuje świeżą odpowiedź na pytanie, dlaczego tak jest: wynika to ze zderzeń.
Poprzednie hipotezy dotyczące planetarnej „luki w promieniach” wskazywały, że wysokie temperatury powodują kurczenie się niektórych planet, mówi główny autor nowego badania, astrofizyk z Rice University André Izidoro. Wraz z upływem czasu planety zbliżają się do swoich gwiazd. Sprawia to, że stosunkowo lekkie planety szybciej się odchudzają, ponieważ zwiększające się ciepło pozbawia je otoczki z zewnętrznych gazów, podczas gdy cięższe mają wystarczająco silną grawitację, aby utrzymać te gazy i zachować swój rozmiar.
Izidoro podważa to oparte na cieple wyjaśnienie, sugerując, że luka wynika z kolizji planetarnych. Jego zespół przeprowadził symulacje komputerowe wykorzystujące najbardziej prawdopodobne teorie powstawania układów planetarnych. Izidoro tłumaczy, że większość planet z obu kategorii zaczyna swe życie z większymi masami – w przedziale mini-Neptunów – ale te, które tworzą się blisko gwiazd, są zazwyczaj skaliste, podczas gdy dalej położone obiekty zawierają zwykle bardzo dużo wody lub lodu.
Gdy układy planetarne ewoluują, młode planety dryfują w kierunku swoich gwiazd, ich orbity stają się niestabilne i często dochodzi do zderzeń. Izidoro wyjaśnia, że kiedy skaliste planety zderzają się ze sobą, mają większą masę łączną, ale tracą również warstwy gazu, więc ich końcowy promień ulega zmniejszeniu: dwie planety tworzą jeden, gęstszy obiekt. Izidoro dodaje, że kiedy zderzają się dwie bogate w wodę planety, „ich rozmiar nie zmienia się aż tak bardzo, ponieważ woda ma mniejszą gęstość, więc ich promień nadal znajduje się powyżej przerwy w rozkładzie promieni”, nawet wtedy, gdy zewnętrzne warstwy gazów uciekną. Z kolei zderzenie skalistej planety z planetą bogatą w wodę zwykle prowadzi do powstania większej, bogatej w wodę planety – ponownie powyżej przerwy w promieniach.
James Owen, astrofizyk z Imperial College London, który nie brał udziału w tych badaniach, twierdzi, że aby model zderzenia był prawdziwy, planety nie mogą tracić tak dużo masy w wyniku działania ciepła, jak wcześniej sądzono. Ale z drugiej strony, zauważa Owen, „jeśli wierzyć modelom z utratą masy, to trzeba by przyjąć, że kolizje między obiektami planetarnymi […] są znacznie rzadsze, niż myślimy”. Owen twierdzi, że aby sprawdzić obie hipotezy, należałoby zbadać skład chemiczny mini-Neptunów za pomocą przyszłych teleskopów kosmicznych wysokiej rozdzielczości. Jeśli egzoplanety w tym przedziale wielkości zawierają dużo wodoru i helu, faworyzowałoby to model z utratą masy; wysoki udział wody i lodu wspierałby wyjaśnienie zderzeniowe.
Jednak „nie ma sposobu, aby odpowiedź na nasze pytania uzyskać wyłącznie za pomocą obserwacji” – uważa współautorka badania Hilke Schlichting, astrofizyczka z University of California w Los Angeles. Trwający miliony lat proces powstawania planet nie może być zaobserwowany w czasie rzeczywistym. „Myślę, że potrzebne są badania modelowe, aby zrozumieć, co tak naprawdę mówią nam dane”, mówi Schlichting, a wyniki symulacji „mogą zrewolucjonizować sposób myślenia o kształtowaniu się naszego własnego Układu Słonecznego”.