Ovatko matalatiheyksiset 'vanha'-eksoplaneetat itse asiassa vain tavallisia renkaita sisältäviä planeettoja?
On olemassa eräänlainen eksoplaneetta, jota tähtitieteilijät joskus kutsuvat hattaraplaneetoiksi tai superpuffeiksi. Ne ovat salaperäisiä, koska niiden massat eivät vastaa heidän erittäin suuria säteitään. Nämä kaksi ominaisuutta viittaavat planeettaan, jonka tiheys on erittäin pieni.
Aurinkokunnassamme ei ole mitään niiden kaltaisia, ja niiden löytäminen kaukaisista aurinkokunnista on ollut hämmentävää. Nyt tähtitieteilijäpari olisi voinut tajuta sen.
Tähtitieteilijöitä ovat Anthony Piro Carnegie Universitystä ja Shreyas Vissapragada Caltechista. Heidän paperinsa otsikko on ' Selvitetään, voidaanko superpuvut selittää rengastettuina eksoplaneetoina .” Se on julkaistu The Astronomical Journalissa.
'Aloimme miettiä, mitä jos nämä planeetat eivät ole ollenkaan ilmavia kuin hattara', Piro sanoi. Lehdistötiedote . 'Entä jos superpuvut näyttävät niin suurilta, koska niitä ympäröivät renkaat?'
Planeetanmetsästäjät ovat löytäneet yli 4000 vahvistettua eksoplaneettaa. Huolellisella havainnolla tähtitieteilijät voivat rajoittaa eksoplaneettojen ominaisuuksia, kuten tiheyttä, massaa, kokoa ja vaikka ne olisivat tähtensä asuttavalla alueella. Mutta ei ole todellista tapaa määrittää, onko näillä kaukaisilla esineillä renkaita.
Olisi yllättävää, jos kukaan ei tekisi. Kaikilla aurinkokuntamme kaasujättiläisillä ja jääjättiläisillä on renkaat, vaikka vain Saturnus on helposti havaittavissa.
Suurin osa eksoplaneetoista löydetään kauttakulkumenetelmällä. Tämä edellyttää planeetan tarkkaa tarkkailua sen kulkiessa isäntätähtensä ja meidän välillä. Tähtitieteilijät voivat havaita planeetan tähtitieteilijät voivat havaita planeetan läpikulkusyistä tapahtuvan tähtien valon pienen laskun. Se on myös tapa, jolla he määrittävät planeetan muut ominaisuudet sekä katsovat, kuinka tähti heiluu vastauksena planeetan liikkeeseen.
Mutta kauttakulkumenetelmä ei voi kertoa tähtitieteilijöille, onko planeetalla renkaita. Ajatuskokeessa tähtitieteilijät ihmettelivät, miltä Saturnuksen kaltaiset planeetat näyttäisivät kaukaiselle tarkkailijalle.
'Aloimme ihmetellä, jos katsoisitte meitä taaksepäin kaukaisesta maailmasta, tunnistaisitteko Saturnuksen rengasplaneetaksi vai näyttäisikö se avaruustähtitieteilijän silmissä turvonneelta planeetalta?' Vissapragada kysyi.
Upea näkymä Saturnuksesta NASAn Hubble-avaruusteleskoopista. Miltä Saturnus näyttäisi kaukaiselle tarkkailijalle kulkumenetelmällä? Kiitokset: NASA, ESA, A. Simon (GSFC), M.H. Wong (University of California, Berkeley) ja OPAL-tiimi
Tutkijat sanovat tutkimuksessaan: 'Hyödyllinen esimerkki on Saturnuksen esimerkki: jos ulkopuolinen tarkkailija mittaisi Saturnuksen koon kuljetuksen aikana ottamatta huomioon renkaita, he aliarvioisivat sen todellisen tiheyden noin kaksinkertaisesti.'
He rakensivat tuon ajatuskokeen pohjalta todellisen kokeen tai simulaation. Tutkijat simuloivat Auringon edestä kulkevaa rengasplaneettaa ja sitä, miltä se näyttäisi kaukaiselle tähtitieteilijälle tehokkailla havaintovälineillä. He myös tutkivat renkaiden materiaalityyppejä, jotka vaikuttaisivat havaintoihin.
Tulokset olivat ristiriitaisia. Heidän työnsä mukaan renkaat voivat selittää joitain puffaplaneettoja, mutta eivät kaikkia. He sanovat kirjoituksessaan: 'Huomaamme, että tämä selitys toimii joidenkin superpuhallusten kohdalla, mutta toisten kohdalla siinä on vaikeuksia.' Osa näiden tulosten selityksestä sisältää puffiplaneettojen ominaispiirteettomat spektrit.
Kirjoittajat sanovat artikkelissaan: 'Tässä pohditaan, voisiko niillä olla suuret päätellyt säteet, koska ne ovat itse asiassa rengastettuja. Tämä luonnollisesti selittäisi, miksi superpuffit ovat toistaiseksi osoittaneet vain piirteettömiä kulkuspektrejä. Normaalisti eksoplaneetalla on spektrit, mutta renkaiden kanssa niitä ei ole.
Kirjoittajat jatkavat: 'Havaitsemme, että tämä hypoteesi voi toimia joissakin tapauksissa, mutta ei kaikissa. Superpuffien läheisyys emotähtiinsä edellyttää renkaita, joiden koostumus on mieluummin kivinen kuin jäinen.' Tämä puolestaan asettaa rajan itse renkaiden säteille.
Taiteilijan käsitys renkaasta planeettasta, joka kulkee isäntätähtensä edessä. Kuvan luotto: Robin Dienel ja Carnegie Institute for Sciencen luvalla.
Ja säteiden raja tarkoittaa, että renkaat voisivat selittää joitain puffaplaneettoja, mutta eivät kaikkia. Lehden mukaan tämä 'tekee Keplerin 51b, 51c, 51d ja 79d suuren koon selittämisen haastavaksi, elleivät renkaat koostu huokoisesta materiaalista'. Kolme Kepler 51 -planeettaa ovat kaikki puffaplaneettoja, ja ne ovat kolme, joilla on pienin tunnettu tiheys. Itse asiassa, vaikka ne ovat kaikki Jupiterin kokoisia planeettoja, niiden massat ovat vain muutaman kerran suuremmat kuin Maan.
Lehdistötiedotteessa toinen kirjoittaja Piro selitti asian seuraavasti: 'Näillä planeetoilla on taipumus kiertää isäntätähtiensä välittömässä läheisyydessä, mikä tarkoittaa, että renkaiden tulee olla kivisiä jään sijaan. Mutta kivinen rengassäteet voivat olla vain niin suuria, ellei kivi ole erittäin huokoista, joten jokainen superpuhallus ei sovi näihin rajoituksiin.'
Keplerin 18b:n pinta-alaltaan saman renkaan planeetan kauttakulku ja tuloksena olevat valokäyrät. Yläpaneelissa on esimerkki kuvista, joita on otettu huomioon kulkulaskelmissa, kun planeetta on seitsemässä eri paikassa. Keskimmäisessä paneelissa näkyy tuloksena oleva kulku (normalisoituna tähtien vuon mukaan) ja pisteet vastaavat kutakin yläpaneelissa näkyvää planeetan sijaintia. Pohjassa näkyy ero renkaan läpikulun ja paljaan tähden välillä, jolla on sama peittoalue. Kuvan luotto: Piro ja Vissapragada, 2020.
Kivirenkaan muodostava materiaali voi olla vain niin tiheää, ja se voi muodostaa vain tietyn kokoisia renkaita. Jos se on liian tiheä ja liian kaukana planeettasta, se yhdistyy sen sijaan satelliiteiksi.
Tutkijapari sanoo, että ainakin kolme havaittua pöhköplaneettaa voidaan todennäköisesti selittää renkailla: Kepler 87c ja 177c sekä HIP 41378f. Kepler 87c on yhtä suuri kuin Neptunus, mutta se on vain noin 6,4 kertaa niin massiivinen kuin Maa. Kahdella muulla luettelossa on samanlainen ero koon ja massan välillä.
Valitettavasti monien tähtitieteen asioiden tavoin meillä ei ole tarkkailukykyä selvittääksemme, onko tämä tutkimus oikea. Maahavainnot ovat tulleet lähelle kirkkaiden kohteiden osalta, mutta tunnettujen puffaplaneettojen isäntätähdet ovat liian himmeitä. (Ainoa poikkeus on HIP 41278 f, joka oli ilmoitettu uudeksi puffplaneetaksi kun kirjoittajapari viimeisteli tätä paperia.) Kuten muutkin tähtitieteen kysymykset, meidän on odotettava James Webbin avaruusteleskooppia valaisemaan asiaa. Mikään nykyinen havaintolaitos ei pysty havaitsemaan renkaita eksoplaneettojen ympärillä.
Jos jollakin näistä eksoplaneetoista vahvistetaan olevan renkaita, se on tärkeä kehitysaskel. Annan tähtitieteilijöille paljon paremman käsityksen siitä, kuinka planeettajärjestelmät muodostuivat ja miten ne kehittyivät.