Nowe dane z Kosmicznego Teleskopu Hubble'a pozwoliły poznać nieco więcej szczegółów dotyczących trzech planet znajdujących się w systemie Kepler 51. Obserwacje umożliwiły zespołowi astronomów udoskonalić szacunki masy i wielkości egzoplanet, które przypominają gigantyczne kule waty cukrowej. Te młode światy mają wielkość zbliżoną do Jowisza, ale ich masa to mniej niż jedna setna masy największej planety w Układzie Słonecznym - stąd porównanie do waty cukrowej.
Egzoplanety znajdujące się w układzie Kepler 51 są bardzo rzadką klasą planet. Nic podobnego nie istnieje w naszym Układzie Słonecznym. Mają bardzo niską gęstość. Ich atmosfera z wodoru i helu jest tak rozdęta, że są prawie wielkości Jowisza, choć ich masa nie przekracza kilkukrotnej masy Ziemi. Innymi słowy, planety te wyglądają na duże i masywne, jak nasz Jowisz, ale są około sto razy lżejsze.
Spośród ponad 4 tys. odkrytych do tej pory planet pozasłonecznych, tylko garstka przypomina ogromne kule waty cukrowej. Trzy z nich znajdują się w oddalonym od nas o około 2600 lat świetlnych systemie Kepler 51. Dlaczego te planety są tak „opuchnięte”? Tego astronomowie jeszcze nie wiedzą. Ale nowe obserwacje przybliżają ich do odpowiedzi na to pytanie. Wyniki ostatnich badań tych obiektów wkrótce pojawią się na łamach pisma „The Astronomical Journal”. Obecnie można się z nimi zapoznać w bazie pre-printów arXiv.
Korzystając z teleskopu Hubble'a, zespół astronomów szukał dowodów na obecność wody w atmosferach planet Kepler-51b oraz Kepler-51d. Badacze obserwowali planety w podczerwieni podczas ich przejścia na tle tarczy ich gwiazdy macierzystej. To tzw. metoda tranzytu, za pomocą której astronomowie poszukują planet krążących wokół obcych gwiazd. Ale tego rodzaju obserwacje pozwalają także szukać charakterystycznych sygnatur składników chemicznych planety.
Gdy planeta przechodzi na tle tarczy swojej gwiazdy, jej światło jest filtrowane przez atmosferę planety, jeśli taką ma. Widmo gwiazdy może zatem zawierać informacje, z których można wywnioskować skład chemiczny atmosfery. Ale wyniki obserwacji zaskoczyły badaczy. - Spodziewaliśmy się znaleźć wodę, ale nie mogliśmy zaobserwować śladów żadnej cząsteczki. To zmusiło nas do znalezienia odpowiedzi, co tak właściwie się dzieje – powiedziała Jessica Libby-Roberts z University of Colorado w Boulder.
Zwrócili się więc do symulacji komputerowych, aby zobaczyć, jakie warunki atmosferyczne mogą powodować obserwowany przez nich efekt. Najbardziej pasującym rozwiązaniem okazała się atmosfera będąca mieszaniną wodoru i helu z warstwą metanu na dużej wysokości. Podobna warstwa metanu znajduje się na jednym z księżyców Saturna – Tytanie. Uniemożliwiała ona uzyskanie obrazów powierzchni księżyca, aż do momentu, gdy przyleciała tam sonda Cassini.
Badacze porównali uzyskane podczas obserwacji widma z widmami innych planet pozasłonecznych. Przeanalizowali także przyciąganie grawitacyjne między planetami, które powoduje niewielkie zmiany ich okresów orbitalnych i na podstawie tych efektów uzyskali bardziej szczegółowe wyniki dotyczące masy planet w układzie Kepler 51.
Trzy planety krążące wokół gwiazdy Kepler 51 zostały odkryte w 2012 roku. Dwa lata później odkryto ich dziwnie niską gęstość. Teraz zespół astronomów ujawnił, że planety te mają gęstość mniejszą niż 0,1 proc. grama na centymetr sześcienny – to gęstość podobna do waty cukrowej. - Wiedzieliśmy, że planety te mają niską gęstość, ale kiedy wyobrażasz sobie kulkę waty cukrowej wielkości Jowisza - to jest to naprawdę mała gęstość – zaznaczyła Libby-Roberts.
Ostatecznie zespół doszedł do wniosku, że niskie gęstości tych planet są częściowo konsekwencją młodego wieku tego systemu, który według badaczy ma zaledwie 500 milionów lat. Modele sugerują, że planety te powstały poza tzw. „linią śniegu” gwiazdy, regionem na tyle oddalonym od gwiazdy, że następuje zestalenie wody. Następnie planety migrowały do wewnątrz systemu.
Na obecnych pozycjach ich atmosfery powinny wyparować w kosmos w ciągu najbliższych kilku miliardów lat. To może tłumaczyć, dlaczego tego typu planety są tak rzadkie w obserwowanym przez nas kosmosie.
Korzystając z modeli ewolucji planet, zespół był w stanie wykazać, że Kepler-51b, planeta najbliższa gwiazdy, pewnego dnia (za około miliard lat) będzie wyglądać jak mniejsza i cieplejsza wersja Neptuna, rodzaj planety, który jest dość powszechne w całej Drodze Mlecznej, choć nie ma odpowiednika w Układzie Słonecznym. Wydaje się jednak, że Kepler-51d, która znajduje się dalej od gwiazdy, nadal będzie dziwną planetą o niskiej gęstości, choć także się skurczy i straci niewielką część atmosfery.
- Ten system oferuje unikalne laboratorium do testowania teorii wczesnej ewolucji planet - powiedział Zach Berta-Thompson z University of Colorado w Boulder, współautor publikacji. Badacze mają nadzieję na ponowne obserwacje przy pomocy jeszcze nie wyniesionego w przestrzeń kosmiczną Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba. Jego zdolności powinny pozwolić na zebranie znacznie więcej informacji o tych „opuchniętych” planetach.
Źródło: University of Colorado, Boulder, fot. NASA, ESA, L. Hustak, J. Olmsted, D. Player and F. Summers (STScI)
