Planety w układach podwójnych gwiazd mogą mieć ładne widoki, nadające się do zamieszkania

Świat Gwiezdnych Wojen Tatooine to jedna z najbardziej rozpoznawalnych planet w świecie science fiction. To trudne miejsce, a panujące tam warunki na wiele sposobów ukształtowały bohatera Luke’a Skywalkera. We Wszechświecie opartym na rzeczywistości może nie być wielu takich światów. Dzieje się tak dlatego, że według nowego badania przeprowadzonego przez naukowców z Yale Wszechświat lubi być bardziej uporządkowany, co wpływa na planety i ich otoczenie.

W badaniu, kierowanym przez adiunkta Yale Malenę Rice i dwóch współpracowników, przyjrzano się układom podwójnym gwiazd wraz z planetami. W wielu z tych układów planety krążą wokół jednej z dwóch gwiazd.

Po raz pierwszy pokazujemy, że istnieje nieoczekiwane nagromadzenie systemów, w których wszystko jest dopasowane. Planety krążą dokładnie w tym samym kierunku, w którym obraca się pierwsza gwiazda, a druga gwiazda okrąża ten układ w tej samej płaszczyźnie co planety.powiedział Rice.

Poszukiwanie planet układu podwójnego gwiazd
Aby dojść do tego wniosku, zespół Rice’a przejrzał dane dotyczące systemów binarnych w kilku bazach danych. Przeanalizowano także kandydatów z potrójną gwiazdką. Katalog Gaia DR3 zapewniał bardzo precyzyjną astrometrię gwiazdową. Taka dokładność jest kluczowa dla określenia separacji i odległości układów podwójnych i powiązanych z nimi światów. Archiwum egzoplanet NASA dostarczyło parametrów układów planetarnych, a katalog TEPCat właściwości planet tranzytowych dostarczył informacji o właściwościach fizycznych w układach, w których orbity planet przecinają się w linii widzenia gwiazdy i Ziemi.

Zespół wykorzystał wszystkie dane do stworzenia geometrii 3D mapujących planety w układach podwójnych gwiazd. Okazuje się, że dziewięć z 40 badanych systemów miało „idealne dopasowanie”. Oznacza to, że mają wspólne wyrównanie spin-orbita i orbita-orbita. Oznacza to, że w wyniku regularnych, okresowych interakcji grawitacyjnych planety i gwiazdy poruszają się po orbitach, które są do siebie dopasowane. Innymi słowy, wszystko w systemie krąży w tej samej płaszczyźnie i w tym samym kierunku.

Pozasłoneczna planeta TrES-4b krąży wokół gwiazdy w Herkulesie oddalonej o około 1660 lat świetlnych. W systemie jest także towarzysz binarny. Jest to jeden z systemów badany w ramach badań zespołu Rice’a dotyczących wyrównania orbit układów podwójnych z planetami. Wrażenie artysty, autorstwo: Obserwatorium Lowella.

Zdaniem Rice’a ta tendencja do pewnego poziomu synchronizacji może być jednym ze sposobów poszukiwania układów podwójnych, w których istnieje życie.

Może to wskazywać, że układy planetarne lubią dążyć do uporządkowanej konfiguracji.stwierdziła.

To także dobra wiadomość dotycząca formowania się życia w tych układach. Gwiezdni towarzysze, którzy są różnie ustawieni, mogą siać spustoszenie w układach planetarnych, przewracając je lub z czasem powodując błyskawiczne nagrzewanie planet.

Niewłaściwe orbity planet i gwiazd
W układach, które nie są wyrównane (czasami nazywane „niewłaściwymi”) warunki na planetach nie wydają się obiecujące. Większość środowisk w takich światach w ogóle nie sprzyjałaby życiu ani nie stwarzała warunków sprzyjających życiu. Światy w takich systemach mogą być całkowicie zamarznięte lub całkowicie suche i opuszczone. Lub ich orbity mogą być nieregularne, ponieważ odchylają się zbyt blisko lub zbyt daleko od swoich gwiazd. W takim przypadku ich powierzchnie mogą być lawą lub lodem lub zmieniać się z jednej skrajności w drugą.

Niewspółosiowość może w rzeczywistości całkowicie wyrzucić planety z układu. W takim przypadku planeta zostaje wyrzucona w przestrzeń międzyplanetarną i staje się planetą zbuntowaną. Takie światy nie korzystają z ciepła pobliskiej gwiazdy. Konsekwencje dla życia i możliwości zamieszkania na tych planetach są dość ponure.

Umiarkowane światy w układach binarnych
Jeśli badanie przeprowadzone przez Rice i jej współpracowników dotyczy wielu układów podwójnych, jakiego rodzaju światów byśmy się spodziewali? Z pewnością fikcyjne Tatooine wygląda jednocześnie odstraszająco i zachęca do eksploracji. W rzeczywistości, jeśli układ orbit jest stabilny, można pomyśleć o zamieszkałych światach wokół tych gwiazd. W zależności od warunków, niektóre z nich mogą być całkiem miłe i gościnne.

Jednak oczekiwanie rozsądnego, umiarkowanego klimatu podobnego do Ziemi na tak odległym świecie jest nieco naciągane. Byłoby to zupełnie coś innego niż to, czego doświadczamy tutaj, w domu. Dzieje się tak dlatego, że planeta w takim układzie otrzymuje światło od dwóch gwiazd. Przez część roku wszyscy mieszkańcy mieliby ciągłe światło dzienne z każdej gwiazdy oświetlającej bok planety. Jednak temperatury na powierzchni będą się różnić w zależności od odległości gwiazd. I przynajmniej przez jakąś część roku jedna strona planety nagrzewałaby się od obu gwiazd, co sprawiałoby, że wszyscy mieszkańcy byliby bardzo zadowoleni.

Dzięki tym badaniom astronomowie mają teraz możliwość przeszukiwania baz danych pod kątem większej liczby układów podwójnych z wyrównanymi orbitami gwiazd i planet. Ponadto istnieją interesujące implikacje dla badań młodych układów podwójnych z dyskami protoplanetarnymi wokół każdej gwiazdy. Na przykład astronomowie mogliby wykorzystać te dane, aby zrozumieć, jakie ograniczenia dynamiczne istnieją na dyskach w układach wielogwiazdowych. Potrzebnych jest więcej informacji na temat mas i lepkości tych dysków w miarę ewolucji ich gwiazd, a także tego, jak długo dyski te przetrwają w układzie.

Teleskop Hubble’a znajduje parę wodną w atmosferze małej egzoplanety

Astronomowie korzystający z należącego do NASA Kosmicznego Teleskopu Hubble’a zaobserwowali najmniejszą egzoplanetę, na której w atmosferze wykryto parę wodną. Mając średnicę zaledwie około dwukrotnie większą od Ziemi, planeta GJ 9827d może być przykładem potencjalnych planet z atmosferami bogatymi w wodę w innych częściach naszej galaktyki.

Byłby to pierwszy raz, kiedy moglibyśmy bezpośrednio wykazać poprzez detekcję atmosfery, że planety z atmosferami bogatymi w wodę mogą w rzeczywistości istnieć wokół innych gwiazd.powiedział członek zespołu Björn Benneke z Instytutu Badań nad Egzoplanetami Trottier na Université de Montréal.

To ważny krok w kierunku określenia rozpowszechnienia i różnorodności atmosfer na planetach skalistych.

Woda na tak małej planecie to przełomowe odkrycie. Zbliża się bardziej niż kiedykolwiek do scharakteryzowania światów prawdziwie ziemskich.dodała współprzewodnicząca Laura Kreidberg z Instytutu Astronomii Maxa Plancka w Heidelbergu w Niemczech.

Jednak jest zbyt wcześnie, aby stwierdzić, czy Hubble spektroskopowo zmierzył niewielką ilość pary wodnej w puszystej atmosferze bogatej w wodór, czy też atmosfera planety składa się głównie z wody pozostałej po pierwotnej atmosferze wodorowo-helowej odparowanej pod promieniowaniem gwiazdowym .

Nasz program obserwacyjny , prowadzony przez głównego badacza Iana Crossfielda z Uniwersytetu Kansas w Lawrence w stanie Kansas , został zaprojektowany specjalnie w celu nie tylko wykrycia cząsteczek w atmosferze planety, ale także prawdziwego poszukiwania pary wodnej. Obydwa wyniki byłyby ekscytujące , niezależnie od tego, czy dominuje para wodna, czy tylko niewielki gatunek w atmosferze zdominowanej przez wodór.powiedział główny autor artykułu naukowego , Pierre-Alexis Roy z Instytutu Badań nad Egzoplanetami Trottier na Université de Montréal.

Do tej pory nie byliśmy w stanie bezpośrednio wykryć atmosfery tak małej planety. Teraz powoli wchodzimy w ten reżim. W pewnym momencie, gdy badamy mniejsze planety, musi nastąpić przejście, w wyniku którego na tych małych światach nie ma już wodoru i panuje na nich atmosfera bardziej przypominająca Wenus (w której dominuje dwutlenek węgla).dodał Benneke.

Ponieważ planeta jest tak gorąca jak Wenus i ma temperaturę 300 stopni Fahrenheita, z pewnością byłby niegościnnym, parnym światem, gdyby atmosfera składała się głównie z pary wodnej.

W tej chwili zespołowi pozostały dwie możliwości. Jeden ze scenariuszy zakłada, że ​​planeta nadal utrzymuje się w atmosferze bogatej w wodór, przesiąkniętej wodą, co czyni ją mini-Neptunem. Alternatywnie może to być cieplejsza wersja Europa, księżyca Jowisza, który ma pod skorupą dwukrotnie więcej wody niż Ziemia.

Planeta GJ 9827d mogłaby składać się w połowie z wody, w połowie ze skał. A na szczycie jakiegoś mniejszego ciała skalistego znajdowałoby się dużo pary wodnej.powiedział Benneke.

Jeśli planeta posiada resztkową atmosferę bogatą w wodę, to musiała uformować się dalej od swojej gwiazdy macierzystej, gdzie temperatura jest niska, a woda jest dostępna w postaci lodu, niż jej obecne położenie. W tym scenariuszu planeta przeniosłaby się bliżej gwiazdy i otrzymała więcej promieniowania. Wodór został podgrzany i uciekł lub nadal jest w trakcie uciekania przed słabą grawitacją planety. Alternatywna teoria głosi, że planeta powstała blisko gorącej gwiazdy, a w jej atmosferze znajdowały się śladowe ilości wody.

Program Hubble’a obserwował planetę podczas 11 tranzytów – wydarzeń, podczas których planeta przecinała się przed swoją gwiazdą – rozłożonych na trzy lata. Podczas tranzytów światło gwiazd jest filtrowane przez atmosferę planety i tworzy widmowy ślad cząsteczek wody. Jeśli na planecie znajdują się chmury, są one wystarczająco nisko w atmosferze, aby nie zasłaniały całkowicie widoku atmosfery obserwowanego przez Hubble’a, a Hubble jest w stanie badać parę wodną ponad chmurami.

Obserwacja wody jest bramą do odkrycia innych rzeczy.powiedział Thomas Greene, astrofizyk z Centrum Badawczego Ames NASA w Dolinie Krzemowej w Kalifornii.

To odkrycie Hubble’a otwiera drzwi do przyszłych badań tego typu planet przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba . Dzięki dodatkowym obserwacjom w podczerwieni JWST może zobaczyć znacznie więcej, w tym cząsteczki zawierające węgiel, takie jak tlenek węgla, dwutlenek węgla i metan. Kiedy już to osiągniemy, Dzięki całkowitemu spisowi elementów planety możemy porównać je z gwiazdą, wokół której krąży, i zrozumieć, w jaki sposób została ona uformowana.

GJ 9827d została odkryta przez należący do NASA Kosmiczny Teleskop Keplera w 2017 roku. Okrąża czerwonego karła co 6,2 dnia. Gwiazda GJ 9827 znajduje się 97 lat świetlnych od Ziemi, w gwiazdozbiorze Ryb.

Teleskop Hubble’a obserwuje zmianę atmosfery egzoplanety w ciągu 3 lat

Łącząc kilkuletnie obserwacje prowadzone za pomocą Kosmicznego Teleskopu Hubble’a z modelowaniem komputerowym, astronomowie znaleźli dowody na istnienie masywnych cyklonów i innych dynamicznych aktywności pogodowych wirujących na gorącej planecie wielkości Jowisza oddalonej o 880 lat świetlnych. Planeta zwana WASP-121 b nie nadaje się do zamieszkania. Wynik ten stanowi jednak ważny początek w badaniu wzorców pogodowych na odległych światach i być może ostatecznym znalezieniu potencjalnie nadających się do zamieszkania egzoplanet o stabilnych, długoterminowych klimatach.

Przez ostatnie kilka dziesięcioleci szczegółowe obserwacje teleskopowe i statki kosmiczne sąsiadujących planet w naszym Układzie Słonecznym pokazują, że ich burzliwe atmosfery nie są statyczne, ale stale się zmieniają, podobnie jak pogoda na Ziemi. Ta zmienność powinna dotyczyć także planet krążących wokół innych gwiazd. Jednak aby faktycznie zmierzyć takie zmiany, potrzeba wielu szczegółowych obserwacji i modelowania obliczeniowego. Aby dokonać tego odkrycia, międzynarodowy zespół astronomów zebrał i ponownie przetworzył obserwacje WASP-121 b wykonane przez Hubble’a w latach 2016, 2018 i 2019.

Odkryli, że planeta ma dynamiczną atmosferę, zmieniającą się w czasie. Zespół wykorzystał wyrafinowane techniki modelowania, aby wykazać, że te dramatyczne zmiany czasowe można wyjaśnić wzorcami pogodowymi w atmosferze egzoplanety.

Zespół odkrył, że atmosfera WASP-121 b wykazuje zauważalne różnice pomiędzy obserwacjami. Co najbardziej dramatyczne, mogą wystąpić potężne fronty pogodowe, burze i masywne cyklony, które powstają i niszczą się wielokrotnie z powodu dużej różnicy temperatur między stroną egzoplanety zwróconą w stronę gwiazdy a ciemną stroną egzoplanety. Wykryli także wyraźne przesunięcie pomiędzy najgorętszym obszarem egzoplanety a punktem na planecie położonym najbliżej gwiazdy, a także zmienność składu chemicznego atmosfery egzoplanety (mierzona za pomocą spektroskopii).

Zespół doszedł do tych wniosków, korzystając z modeli obliczeniowych, które pomogą wyjaśnić zaobserwowane zmiany w atmosferze egzoplanety. „Niezwykłe szczegóły naszych symulacji atmosfer egzoplanet pozwalają nam dokładnie modelować pogodę na ultragorących planetach, takich jak WASP-121 b” – wyjaśnił Jack Skinner, doktorant w California Institute of Technology w Pasadenie w Kalifornii i współprzewodniczący tego badania.

W tym przypadku robimy znaczący krok naprzód, łącząc ograniczenia obserwacyjne z symulacjami atmosfery, aby zrozumieć zmienną w czasie pogodę na tych planetach.

To niezwykle ekscytujący wynik , gdy zbliżamy się do obserwacji wzorców pogodowych na egzoplanetach. Badanie pogody na egzoplanetach jest niezbędne do zrozumienia złożoności atmosfer egzoplanet na innych światach, zwłaszcza w poszukiwaniu egzoplanet zapewniających warunki do zamieszkania.powiedział jeden z głównych badaczy zespołu, Quentin Changeat, pracownik naukowy Europejskiej Agencji Kosmicznej w Space Telescope Science Institute w Baltimore w stanie Maryland.

WASP-121 b znajduje się tak blisko swojej gwiazdy macierzystej, że okres obiegu wokół niej wynosi zaledwie 1,27 dnia. Ta bliskość oznacza, że ​​planeta jest zsynchronizowana pływowo, tak że ta sama półkula zawsze jest zwrócona w stronę gwiazdy, w taki sam sposób, w jaki nasz Księżyc zawsze ma tę samą stronę zwróconą w stronę Ziemi. Temperatury w ciągu dnia po stronie planety zwróconej w stronę gwiazd zbliżają się do 3450 stopni Fahrenheita (2150 stopni Kelvina).

Zespół wykorzystał cztery zestawy archiwalnych obserwacji Hubble’a dotyczących WASP-121 b. Kompletny zestaw danych obejmował obserwacje tranzytu WASP-121 b przed swoją gwiazdą (wykonane w czerwcu 2016 r.); WASP-121 b przelatujący za swoją gwiazdą, znane również jako zaćmienie wtórne (zrobione w listopadzie 2016 r.); oraz jasność WASP-121 b jako funkcję jej kąta fazowego względem gwiazdy (zmienna ilość światła odbieranego na Ziemi z egzoplanety krążącej wokół swojej gwiazdy macierzystej, podobnie do cyklu fazowego naszego Księżyca). Dane te wykonano odpowiednio w marcu 2018 r. i lutym 2019 r.

Zebrany zestaw danych reprezentuje znaczną ilość czasu obserwacji pojedynczej planety i jest obecnie jedynym spójnym zestawem takich powtarzanych obserwacji. Informacje, które wyciągnęliśmy z tych obserwacji, wykorzystaliśmy do wywnioskowania składu chemicznego, temperatury i zachmurzenia atmosfery WASP-121 b w różnych momentach. To dało nam znakomity obraz planety zmieniającej się w czasie.powiedział Changeat.

Unikalne możliwości Hubble’a są również widoczne w szerokim zakresie programów naukowych , które umożliwi dzięki obserwacjom w cyklu 31, które rozpoczęły się 1 grudnia. Około dwie trzecie czasu Hubble’a zostanie poświęcone badaniom obrazowym, a pozostała część zostanie przeznaczona na badania spektroskopowe, takie jak te stosowane w WASP-121 b.

Webb podąża za znakami neonowymi w kierunku nowego myślenia o formowaniu się planet

Naukowcy podążają za neonami w poszukiwaniu wskazówek dotyczących przyszłości jednego układu planetarnego i przeszłości innego – naszego własnego Układu Słonecznego. Podążając za osobliwym odczytem dokonanym przez poprzednie flagowe obserwatorium NASA w podczerwieni, obecnie nieczynny Kosmiczny Teleskop Spitzera, należący do agencji Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba wykrył wyraźne ślady pierwiastka neonu w pyłowym dysku otaczającym młodą, podobną do Słońca gwiazdę SZ Chamaeleontis (SZ Cha).

Różnice w odczytach neonu między Spitzerem a Webbem wskazują na nigdy wcześniej nie zaobserwowaną zmianę w wysokoenergetycznym promieniowaniu, które dociera do dysku, co ostatecznie powoduje jego odparowanie, ograniczając czas formowania się planet.

Jak się tu znaleźliśmy? To naprawdę wraca do tego wielkiego pytania, a SZ Cha jest tym samym typem młodej gwiazdy, gwiazdą T-Tauri, jaką było nasze Słońce 4,5 miliarda lat temu u zarania Układu Słonecznego. Surowce dla Ziemi, a ostatecznie dla życia, były obecne w dysku materiału, który otaczał Słońce po jego uformowaniu się, więc badanie tych innych młodych systemów jest tak blisko, jak to tylko możliwe, aby cofnąć się w czasie i zobaczyć, jak zaczęła się nasza własna historia.powiedziała astronom Catherine Espaillat z Boston University w Massachusetts, która kierowała zarówno obserwacjami Spitzera z 2008 roku, jak i nowo opublikowanymi wynikami Webba.

Naukowcy używają neonu jako wskaźnika ilości i rodzaju promieniowania uderzającego i niszczącego dysk wokół gwiazdy. Gdy Spitzer obserwował SZ Cha w 2008 roku, dostrzegł on obiekt odstający, z odczytami neonu niepodobnymi do żadnego innego młodego dysku T-Tauri. Różnica polegała na wykryciu neonu III, który jest zwykle rzadki w dyskach protoplanetarnych, które są uderzane przez wysokoenergetyczne promieniowanie rentgenowskie. Oznaczało to, że wysokoenergetyczne promieniowanie w dysku SZ Cha pochodziło z promieniowania ultrafioletowego (UV), a nie rentgenowskiego. Oprócz tego, że jest to jedyny dziwny wynik w próbce 50-60 młodych dysków gwiezdnych, różnica między promieniowaniem UV a rentgenowskim jest znacząca dla czasu życia dysku i jego potencjalnych planet.

Planety zasadniczo ścigają się z czasem, aby uformować się w dysku przed jego wyparowaniem. W modelach komputerowych rozwijających się systemów, ekstremalne promieniowanie ultrafioletowe pozwala na 1 milion lat więcej formowania się planet niż w przypadku, gdy parowanie jest spowodowane głównie przez promieniowanie rentgenowskie.wyjaśnił Thanawuth Thanathibodee z Boston University, inny astronom w zespole badawczym.

Tak więc SZ Cha była już sporą zagadką, gdy zespół Espaillata powrócił, by zbadać ją za pomocą Webba, tylko po to, by znaleźć nową niespodziankę: Niezwykła sygnatura neonu III prawie całkowicie zniknęła, wskazując na typową dominację promieniowania rentgenowskiego.

Zespół badawczy uważa, że różnice w sygnaturach neonów w układzie SZ Cha są wynikiem zmiennego wiatru, który, gdy jest obecny, pochłania światło UV i pozostawia promieniowanie rentgenowskie, które uderza w dysk. Zespół twierdzi, że wiatry są powszechne w układach z nowo powstałą, energetyczną gwiazdą, ale możliwe jest uchwycenie układu w spokojnym, wolnym od wiatru okresie, co właśnie miało miejsce w przypadku Spitzera.

Zarówno dane ze Spitzera, jak i Webba są doskonałe, więc wiedzieliśmy, że musi to być coś nowego, co obserwujemy w układzie SZ Cha – znacząca zmiana warunków w ciągu zaledwie 15 lat.dodał współautor Ardjan Sturm z Leiden University w Leiden w Holandii.

Zespół Espaillata już planuje dalsze obserwacje SZ Cha za pomocą Webba, a także innych teleskopów, aby dotrzeć do sedna jego tajemnic. “Ważne będzie zbadanie SZ Cha i innych młodych układów w wielu długościach fal świetlnych, takich jak promieniowanie rentgenowskie i światło widzialne, aby odkryć prawdziwą naturę tej zmienności, którą znaleźliśmy” – powiedział współautor Caeley Pittman z Boston University. “Możliwe, że krótkie, spokojne okresy zdominowane przez ekstremalne promieniowanie UV są powszechne w wielu młodych układach planetarnych, ale po prostu nie byliśmy w stanie ich wychwycić”.

Po raz kolejny wszechświat pokazuje nam, że żadna z jego metod nie jest tak prosta, jak byśmy chcieli. Musimy przemyśleć, ponownie obserwować i zebrać więcej informacji. Będziemy podążać za neonami.powiedział Espaillat.