Exoplanety podobné Jupiteru vznikly mnohem dříve, než jsme si mysleli

Nová analýza stávajících dat naznačuje, že exoplanety s hmotností srovnatelnou s Jupiterem mohly vzniknout podstatně dříve, než se dosud předpokládalo. Studie, kterou provedli vědci na Ohio State University, nabízí nový pohled na načasování akrece, tedy procesu, při kterém formující se planety shromažďují velké množství plynu a pevných částic, zejména těch bohatých na uhlík a kyslík, a stávají se z nich plynní obři, jako je Jupiter.

Planety vznikají v protoplanetárních discích, což jsou rotující oblaka prachu a plynu obklopující mladé hvězdy. Studie naznačuje, že k akreci pravděpodobně dochází v nejranějších fázích vývoje disku, kdy jsou tyto disky ještě mladé a obsahují velké množství materiálu, což zpochybňuje předchozí předpoklady o době vzniku planet.

Zatímco počet nově potvrzených exoplanet stále roste, původ těchto světů a faktory, které ovlivňují jejich vznik, jsou hádankou, kterou se vědci stále snaží vyřešit. Původně se například předpokládalo, že úplné zformování exoplanet podobných Jupiteru trvá 3 až 5 milionů let. Nedávná pozorování nyní naznačují, že u plynných obrů, jako je Jupiter, je tento proces pravděpodobně kratší než 1 až 2 miliony let.

Zpochybnění stávajících teorií
Tento objev zpochybňuje dosavadní teorie vědců o tom, v jakém „stáří“ protoplanetárních disků tyto planety vznikly, uvedl Ji Wang, autor studie a odborný asistent astronomie na Ohio State University. Výsledky by mohly vést vědce k přehodnocení a přepracování teorií vzniku planet ve Sluneční soustavě i jinde.

„Vše, co víme o exoplanetách, můžeme dát do souvislosti se Sluneční soustavou a naopak,“ řekl Wang. „Obvykle se planety formují zdola nahoru, což znamená, že se začíná s malými objekty, které se postupně zvětšují a vytvářejí větší planety, ale tato cesta trvá dlouho.“

Výklad vzniku planet „zdola nahoru“ se nazývá „teorie akrece jádra“, ale dalším možným mechanismem vzniku je vznik planet v důsledku gravitační nestability – když jsou shluky v disku kolem hvězdy příliš hmotné na to, aby se zachovaly, zhroutí se a vytvoří planety. Protože historie akrece planety by mohla být úzce spojena s těmito dvěma přesvědčivými, avšak vzájemně se doplňujícími mechanismy vzniku planet, je podle Wanga důležité určit, který proces je častější.

Nové důkazy z malého vzorku
Studie analyzovala vzorek sedmi plynných obrů, jejichž hvězdné a planetární chemické vlastnosti již byly přímo změřeny předchozími studiemi, a porovnala je s údaji o plynných obrech Sluneční soustavy – Jupitera a Saturnu.

Wang ukázal, že raný vznik těchto exoplanet je v souladu s nedávnými důkazy, že Jupiter vznikl mnohem dříve, než se dosud předpokládalo. Toto zjištění vychází z překvapivě vysokého množství pevných látek, které tyto exoplanety shromáždily.

Veškeré materiály získané akrecí na počátku vzniku planety zvyšují metalicitu její atmosféry a pozorováním stop, které po sobě zanechávají, jsou vědci schopni změřit množství pevných látek, které planeta kdysi shromáždila.

Čím vyšší je metalicita, tím více pevných látek a kovů – všeho, co je v periodické tabulce hmotnější než vodík a helium – mohou vědci předpokládat, že byly shromážděny během procesu vzniku, řekl Wang.

„Z toho můžeme usuzovat, že každá z pěti zkoumaných planet nabalovala materiál jako těleso odpovídající v průměru 50 hmotnostem Země,“ uvedl Wang. „Tak velké množství pevných látek lze nalézt pouze v soustavách mladších než 2 miliony let, ale ve Sluneční soustavě je celkové množství dostupných pevných látek pouze v řádu 30 až 50 hmotností Země.“

Tato nová data naznačují, že stavební kameny použité k vytvoření exoplanet byly k dispozici v dřívější fázi vývoje protoplanetárního disku, než se dříve předpokládalo, a jejich dostupnost se v průběhu milionů let výrazně snížila. Protože vědci obvykle neočekávají, že najdou důkaz, že planety vznikly tak brzy, je to zjištění, se kterým se současné teorie budou pravděpodobně jen těžko vyrovnávat, řekl Wang.

„Tyto exoplanety se zformovaly tak brzy, že v nich stále ještě byla k dispozici velká zásoba kovů,“ řekl Wang. „To je něco, na co vědecká komunita nebyla plně připravena, takže se nyní bude muset snažit přijít s novými teoriemi, které by to vysvětlily.“

Protože plynní obři při akreci přitahují obrovské množství hmoty, jejich vznik a migrace vesmírem ovlivňuje také vývoj kamenných planet v jiných částech protoplanetárního disku. Předpokládá se, že ve Sluneční soustavě tento jev způsobil, že Jupiter a Saturn vytlačily Merkur z jeho původní dráhy a způsobily, že Mars se stal mnohem menší než Země nebo Venuše.

Pro astronomy, kteří chtějí v budoucnu provádět podobné analýzy vzniku planet, poskytuje tato práce také statistický rámec pro odvození celkové hmotnosti pevné akrece pro jakoukoliv jinou exoplanetu, což může být ideální nástroj pro další zkoumání.

Zatímco tento výzkum se opíral výhradně o archivní data, Wang očekává, že jeho práce bude dále doplněna o nová data s vysokým rozlišením získaná pomocí lepších přístrojů, například výkonnějších pozemních astronomických observatoří nebo technologií nové generace, jako je vesmírný dalekohled Jamese Webba.

„Rozšířením této práce o větší vzorek exoplanet doufáme, že se trend důkazů zjištěných v této práci udrží,“ řekl Wang.

Studie byla nedávno publikována v časopise The Astrophysical Journal.

Zdroj: https://scitechdaily.com/challenging-existing-theories-jupiter-like-exoplanets-formed-much-sooner-than-we-thought/ a https://news.osu.edu/astronomer-finds-gas-giant-exoplanets-formed-earlier-than-previously-thought/

autor: František Martinek