Az, hogy egy forró Jupiternek belső bolygótársa legyen, rendkívül ritka: a csillagászok úgy vélik, hogy ezek a planéták kilökik a csillaghoz közel keringő többi bolygót a pályájáról. Egy kutatócsoport a James Webb-űrtávcsővel vizsgálta meg a rendszert, hogy kiderüljön, hogyan alakulhatott ki ez az elrendeződés.
A kutatók a Webb-űrtávcsővel megfigyelték a kisebb világ, a TOI-1130b légkörét, és azt találták, hogy illékony anyagokban, vagyis szén-dioxidban, vízben és kén-dioxidban gazdag. Ezek a molekulák általában a csillagtól távolabb keringő bolygókon találhatók meg. Ahhoz, hogy felhalmozhassa ezeket az anyagokat, ennek a Neptunuszhoz hasonló világnak a hóhatáron túl kellett kialakulnia: ez az a távolság, ahol a csillag sugárzása már annyira gyenge, hogy a víz fagyott állapotban maradhat egy bolygón. A TOI-1130b esetében a vízjég-határ nagyjából a Föld-Nap távolság felénél húzódik.
Miután a planéta kialakult, lassan a csillag felé vándorolt a protoplanetáris korongban, abban a vastag, bolygóképző gáz- és porkorongban, amely a fiatal csillagokat körülveszi. A forró Jupiter, amely szintén a csillagtól távol alakult ki, valószínűleg csatlakozott hozzá ezen az úton.
„Még sosem találtunk ilyen meggyőző bizonyítékot a bolygók korongon belüli vándorlására.” - mondta Chelsea Huang (University of Southern Queensland, Australia), a kutatás eredményeit közlő szakcikk társszerzője, és a bolygórendszert 2019-ben felfedező kutatócsoport vezetője.
Illékony anyagokban gazdag légkör
A Földnél nagyjából 3,5-szer nagyobb méretű és közel 20-szor nagyobb tömegű TOI-1130b a csillagászok szerint egy mini-Neptunusz. Ez egy átlagos exobolygó-típus, amelynek mérete a Földé és a Neptunuszé közé esik, bár a saját Naprendszerünkben nem található belőle egy sem.
„Amikor a TESS-űrtávcsővel felfedeztük a rendszert, tudtuk, hogy nagyon különleges.” - mondta Huang. „Azt gondoltuk, hogy remek lenne a bolygómigrációs elméletek teszteléséhez.”
2024 augusztusában a kutatók megfigyelték a TOI-1130b légkörét, miközben az elhaladt a csillaga előtt. A tranzit során nyomon követték, ahogy a mini-Neptunusz légkörének molekulái az elektromágneses sugárzás különböző hullámhosszait elnyelik, így egyedi ujjlenyomatokat hagynak a közeli infravörös spektrumban.
A tranzit pillanatát nem volt könnyű elkapni, mivel a bolygók szinkronpályán keringenek: a mini-Neptunusz feleannyi idő alatt kerüli meg a csillagát, mint a forró Jupiter. Emiatt mindkét planéta kissé imbolyog és hat egymásra, így a pályájuk kevésbé kiszámítható.
Amikor azonban a kutatóknak sikerült rögzíteniük a mini-Neptunusz spektrumát, felfedezték, hogy sűrű, illékony anyagokban gazdag légkörrel rendelkezik. Ez a rendszer szokatlan felépítésével együtt megerősítette, hogy a planéták együtt alakultak ki távolabb a csillagtól, és spirálvonalban haladtak befelé.
Bár a hóhatár felől néha sodródhatnak be kavicsszerű illékony anyag-csomagok, a forró Jupiter megakadályozná, hogy bármilyen részecske eljusson a mini-Neptunuszhoz. „Ez a bolygó jobban magyarázható azzal, ha feltételezzük, hogy a hóhatáron túl alakult ki.” – mondja Saugata Barat (MIT), a The Astrophysical Journal Letters című szaklapban megjelent tanulmány vezető szerzője.
Vándorló világok
A kutatók úgy gondolják, hogy sok forró Jupiter a csillagától távolabb keletkezik. A gravitációs kölcsönhatások ezután megzavarják a pályájukat, amitől hevesen befelé sodródnak, és a csillaghoz közelebbi pályára kerülnek. A belső bolygók nem élhetik túl ezt a turbulens folyamatot: gyakori, hogy a forró Jupiter szétszórja őket.
A csillagászok úgy gondolták, hogy a két planéta egy sokkal kevésbé heves folyamat során került a jelenlegi helyére. A csillagot körülvevő gáz- és porkoronggal történő kölcsönhatások fokozatosan lelassították, és finoman egy befelé spirálozó pályára terelték őket. A két bolygó szinkronpályája már korábban is a folyamatos befelé irányuló vándorlásra utalt, és a TOI-1130b illékony anyagokban gazdag légkörének felfedezése megerősítette ezt az elméletet.
„Bebizonyosodott, hogy amikor több bolygó egyszerre vándorol át a korongon, ilyen stabil egyensúlyi állapotba kerülhetnek.” – mondja Barat, utalva a két planéta szinkronpályájára. „Ha egy bolygó egyszer ebbe az állapotba kerül, egész élete során ott maradhat.”
Az eredmény a mini-Neptunuszok kialakulásának egyik rejtélyét is segít megoldani. A hóhatáron belül talált mini-Neptunuszok egy része ott is keletkezhetett. Ezek a bolygók lehűlésük és összehúzódásuk előtt gyorsan felhalmozhatták a könnyebb elemeket, vagyis a hidrogént és a héliumot. Végső méretük azonban kisebb lenne, mint a TOI-1130b-é, csupán a Földének a kétszeresét vagy háromszorosát érnék el. Ahhoz, hogy ilyen közel kerüljenek a nagyobb méretű mini-Neptunuszok, vándorlás szükséges.
A forró Jupiter légkörének további megfigyelései újabb információkkal szolgálnak majd a bolygópár történetéről. Mivel ez a bolygó a kialakulása során anyagot gyűjtött magára, a légkörében található vegyületek alapján pontosan tudhatjuk, hogy a korong mely részén alakult ki. „Ezeket éppen most elemezzük.” – mondja Barat.
Mini-Neptunuszok populációja
Rafael Luque (Instituto de Astrofísica de Andalucía), aki nem vett részt a kutatásban, úgy gondolja, hogy az eredményeknek hála a csillagászok „elkezdhetik a szub-Neptunuszok összetételét rutinszerűen vizsgálni”.
Luque egy másik kutatási projektet is vezet a James Webb-űrtávcsővel, amelynek célja, hogy több mini-Neptunusz légkörét vizsgálja meg a TOI-1130b-hez hasonló rendszerekben, de ezúttal különböző korú bolygók esetében. „A kordimenzió nagyon hasznos lesz ahhoz, hogy kiderüljön, vajon a légkörök már az égitest keletkezésekor is ilyen gazdagok-e illékony anyagokban” – mondja, vagy esetleg kémiai folyamatok révén tettek szert rájuk.
„Úgy kell vizsgálnunk ezeket a rendszereket, mint populációkat.” – mondja Barat. „Most először vizsgáltunk meg egy ilyen rendszert, amelyben egy belső Neptunusz és egy külső forró Jupiter található, de egyetlen minta nem ad teljes képet a helyzetről.” Más bolygók tanulmányozása segíteni fog a kutatóknak abban, hogy megkülönböztessék a csillagukhoz közel kialakuló mini-Neptunuszokat az olyan vándorló bolygóktól, mint a TOI-1130b.
„Ez egy rendkívül gyorsan fejlődő terület.” – mondja Barat. „Még rengeteg tennivalónk van.”
Forrás: https://skyandtelescope.org/astronomy-news/how-did-this-peculiar-planet-pair-form/
Az eredményeket ismertető tanulmány: https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ae5f8b#artAbst
Szerző: Ujhelyi Borbála, Kutatási asszisztens
CSFK Konkoly-Thege Miklós Csillagászati Intézet