GJ 523 b váží přibližně 23,5 Země a její průměrná hustota dosahuje asi 7,8 gramu na centimetr krychlový. Země má pro srovnání hustotu přibližně 5,5 gramu na centimetr krychlový. Nově potvrzená planeta je tedy jen o něco větší než běžný sub-Neptun, ale její vnitřní stavba podle současných modelů odpovídá spíše mimořádně masivnímu světu bohatému na horniny, kovy a pravděpodobně vodu, který má překvapivě málo lehkého plynu. Právě v tom je problém.
Planeta s tak velkou hmotností by měla během svého vzniku velmi účinně přitahovat plyn z protoplanetárního disku. Teorie proto očekávají, že by kolem sebe měla vybudovat výraznou vodíko-heliovou atmosféru a postupně se začít podobat spíše Neptunu nebo ještě větším plynným planetám.
GJ 523 b to zřejmě neudělala. A protože její hvězda je podle současného odhadu stará pouze přibližně 169 milionů let, není snadné vysvětlit ani to, že by mohutnou atmosféru jednoduše během miliard let ztratila.
TESS nejprve viděl jen pravidelné pohasnutí hvězdy
Planeta obíhá kolem hvězdy GJ 523, oranžového trpaslíka spektrálního typu K vzdáleného přibližně 87 světelných let od Země. Její existenci původně naznačila družice NASA TESS. Ta sleduje jasnost hvězd a hledá pravidelné poklesy světla způsobené planetou přecházející před jejich diskem. Takový tranzit ale prozradí především velikost planety.
Aby astronomové zjistili její hmotnost, museli sledovat drobné pohyby samotné hvězdy způsobené gravitací obíhající planety. Tým vedený Maxwellem Kroftem z University of Wisconsin–Madison proto použil spektrograf NEID na 3,5metrovém teleskopu WIYN v Arizoně.
Výsledkem je svět, který svou hvězdu oběhne jednou za 17,75 dne, pohybuje se ve vzdálenosti zhruba 0,12 astronomické jednotky a má odhadovanou rovnovážnou teplotu kolem 538 kelvinů, tedy přibližně 265 °C za předpokladu nulového albeda. Obyvatelnou druhou Zemí tedy rozhodně není. Z hlediska vzniku planet je ale možná mnohem zajímavější.
Je příliš velká na běžnou kamennou planetu a příliš hustá na běžný sub-Neptun
Naše Sluneční soustava má v tomto směru zvláštní mezeru. Máme malé kamenné planety jako Zemi a Mars a potom už mnohem větší Uran a Neptun. Planetu o velikosti přibližně dvou až tří Zemí tu nemáme. Jinde ve vesmíru jsou však podobné světy mimořádně běžné.
Astronomové mezi nimi pozorují takzvanou radius valley, oblast kolem zhruba 1,5 až 2 poloměrů Země, která přibližně odděluje menší super-Země od větších sub-Neptunů. Planety nad touto hranicí často obsahují lehký plynný obal, který výrazně zvětšuje jejich poloměr. GJ 523 b leží jasně nad touto mezerou. Podle velikosti by tedy měla patřit mezi sub-Neptuny. Podle hustoty ale ne.
Modely vnitřní stavby použité autory ukazují jako pravděpodobnější planetu složenou především z kamenného jádra a pláště s významným podílem vody či dalších těkavých látek, zatímco její podíl vodíku a helia by mohl být zanedbatelný. Přesné složení nelze pouze z hmotnosti a poloměru jednoznačně určit, ale planeta podle autorů s největší pravděpodobností nenese rozsáhlou H/He atmosféru typickou pro sub-Neptuny. Má velikost jedné planetární rodiny a složení jiné. Právě proto ji autoři řadí mezi mega-Země.
MOHLO BY SE VÁM TAKÉ LÍBIT
„Mega-Země“ není jen větší super-Země
Samotný výraz mega-Earth se v astronomii používá už déle, ale neexistovala jednotná hranice, která by přesně určovala, co do této skupiny patří. Autoři nové práce proto navrhují čistě observační definici.
Za mega-Země označují planety s poloměrem přibližně 2,1 až 5 Zemí a hustotou nejméně 5,5 g/cm³. Takové světy se velikostí překrývají se sub-Neptuny, ale jejich hustota naznačuje, že lehký vodík a helium netvoří významnou část jejich objemu. GJ 523 b navíc není jediná.
Autoři ve známém katalogu našli zhruba tucet dalších přesněji charakterizovaných planet, které jejich navržené podmínky splňují. Liší se stářím, teplotou, vzdáleností od hvězdy i hmotností. To je důležité, protože nabízí možnost, že mega-Země nejsou jen několik náhodně „obnažených“ jader bývalých plynných planet.
Mohly by představovat více různých evolučních cest, které nakonec vedou ke stejnému neobvyklému výsledku: velké planetě bez masivní plynné obálky.
Slunce její atmosféru zřejmě neodfouklo
První intuitivní vysvětlení zní jednoduše. Planeta mohla původně vypadat jako normální sub-Neptun nebo dokonce proto-plynný obr a mladá aktivní hvězda z ní postupně odfoukla atmosféru intenzivním ultrafialovým a rentgenovým zářením.
Tento mechanismus skutečně funguje a u menších planet blízko hvězdy může být velmi důležitý. Jenže GJ 523 b je příliš těžká.
Silná gravitace planety o hmotnosti 23 Zemí drží atmosféru velmi účinně. Autoři proto provedli orientační výpočet fotoevaporace a zjistili, že ani při velmi příznivých předpokladech by hvězdné záření za současný věk systému nedokázalo odstranit nic, co by se blížilo hmotnosti rozsáhlého primárního obalu.
Dokonce i kdyby planeta v raném období měla přibližně velikost a hmotnost Jupitera, jejich model při současných předpokladech dává ztrátu jen asi 0,004 hmotnosti Země za dosavadní život systému. Jestli GJ 523 b kdysi skutečně obrovskou atmosféru měla, samotné záření hvězdy ji zřejmě nesundalo. Muselo se stát něco násilnějšího.
Jedním z podezřelých je gigantická srážka
Nejdramatičtější možnost připomíná historii naší vlastní Země. Jedna z hlavních hypotéz vzniku Měsíce předpokládá, že mladá Země utrpěla obrovskou srážku s planetárním embryem přibližně velikosti Marsu. Podobné kolize byly v mladých planetárních systémech pravděpodobně běžné. U GJ 523 b mohly mít ještě ničivější důsledky.
Simulace citované autory ukazují, že série gigantických srážek dokáže současně zvětšit pevné jádro planety a odstranit velkou část atmosféry. Podle jejich odhadu by za vhodných podmínek mohla k vytvoření světa podobného GJ 523 b stačit jedna nebo dvě kolize s tělesy přibližně srovnatelné hmotnosti. Takový scénář by vysvětlil, proč je planeta obrovská a zároveň chudá na plyn. Není však jediný.
MOHLO BY SE VÁM TAKÉ LÍBIT
Možná se nikdy plynným obrem stát nestihla
Existuje také méně katastrofická možnost. Planeta mohla velmi rychle vybudovat mohutné pevné jádro prostřednictvím akrece drobných „oblázků“ v protoplanetárním disku, ale další růst pak mohl pokračovat pomaleji prostřednictvím planetesimál. Právě jejich dopady by dodávaly mladému jádru teplo. A to je důležité.
Aby planeta získala masivní vodíko-heliovou atmosféru, musí její plynný obal postupně chladnout a smršťovat se. Teprve potom začne plyn přibývat velmi rychle a může odstartovat proces vedoucí k plynnému obru.
Pokračující bombardování planetesimálami však může atmosféru udržovat příliš horkou. Plyn se nestačí smrštit. A než se podmínky uklidní, protoplanetární disk kolem hvězdy se rozptýlí a zásobárna plynu zmizí.
Výsledkem může být mohutná planeta s desítkami hmotností Země, která nikdy nedostala příležitost obalit své jádro obrovským množstvím vodíku a helia. Podle autorů je tento hybridní scénář akrece další realistickou možností vzniku GJ 523 b.
Planeta navíc obíhá skoro „přes pól“ své hvězdy
Hustota není jedinou zvláštností GJ 523 b. Tým změřil také rotační vlastnosti její hvězdy a dospěl k odhadu, že osa rotace hvězdy je vůči našemu pohledu skloněna asi o 18 stupňů. Planetu přitom pozorujeme při tranzitu, takže její oběžná dráha musí být orientována téměř hranou k nám.
Z kombinace těchto údajů vychází, že mezi rovinou oběžné dráhy planety a osou rotace hvězdy může být minimální úhel přibližně 71 stupňů. Jinými slovy, GJ 523 b pravděpodobně obíhá po silně nakloněné dráze, možná téměř polární.
Planety obvykle vznikají v plochém disku kolem mladé hvězdy. Na začátku bychom proto čekali, že rovina jejich drah bude přibližně souhlasit s rovinou rotace samotné hvězdy. Tady tomu tak zřejmě není. Tak silné vychýlení naznačuje, že systém během svého krátkého života prošel výraznou dynamickou změnou.
Jenže známý viník zatím nikde není
Silně nakloněnou dráhu může způsobit například gravitační působení další masivní planety. Ta může během milionů let měnit sklon a excentricitu dráhy svého souseda, případně jej při rané nestabilitě celého systému prudce vychýlit.
Jenže výzkumníci zatím u GJ 523 žádného takového společníka nenašli. Současná data samozřejmě nevylučují vzdálenější planetu na dlouhé oběžné době, kterou dosavadní měření radiálních rychlostí ještě nezachytila. Budoucí data mise Gaia nebo dlouhodobé sledování hvězdy mohou podobné těleso odhalit.
Existuje ale ještě další možnost. Nakloněná nemusela být původně planeta. Nakloněný mohl být už samotný protoplanetární disk, ze kterého vznikla.
Teoretické modely ukazují, že vnitřní a vnější části disku kolem mladé hvězdy nemusejí vždy ležet v jedné rovině. Interakce s magnetickým polem, další hvězdou či planetou nebo samotná turbulentní tvorba hvězdy může disk pokřivit a planeta pak vznikne na neobvyklé dráze od samého začátku.
GJ 523 b tedy kombinuje dvě oddělené záhady. Nevíme přesně, proč nemá více plynu. A nevíme ani, proč obíhá téměř kolmo k rotaci své hvězdy.
MOHLO BY SE VÁM TAKÉ LÍBIT
Navíc je na podobné záhady podezřele mladá
Věk systému kolem 169 milionů let má poměrně širokou nejistotu, přibližně od 120 do 270 milionů let. Astronomové jej odhadli mimo jiné z rychlosti rotace hvězdy a několika dalších hvězd, které se pohybují vesmírem společně s ní.
I horní část tohoto intervalu je však v planetárních měřítkách velmi nízká. Naše Sluneční soustava je stará zhruba 4,6 miliardy let. GJ 523 b tedy vidíme v období, kdy její systém existuje pouze několik procent stáří toho našeho.
To komplikuje scénáře, které potřebují dlouhé miliardy let postupné evoluce. Planeta musela velmi rychle vytvořit hmotu odpovídající více než dvaceti Zemím, získat svůj současný neobvykle chudý plynný obal a zároveň skončit na silně nakloněné dráze. Příběh, který k tomuto stavu vedl, se tedy pravděpodobně odehrál velmi brzy.
Možná jsme příliš dlouho třídili planety hlavně podle velikosti
GJ 523 b zároveň ukazuje jeden obecnější problém exoplanetární astronomie. Po dlouhou dobu znali vědci u tisíců planet hlavně jejich poloměr. Tranzit je relativně snadné změřit, ale přesná hmotnost vyžaduje mnohem náročnější následná pozorování.
Planeta o velikosti 2,5 Země tak automaticky skončila v kategorii sub-Neptun. Jenže dvě planety stejné velikosti mohou být fyzikálně úplně jiné. Jedna může mít relativně malé kamenné jádro obalené mohutnou vrstvou lehkého plynu.
Druhá může být extrémně masivním světem tvořeným převážně horninami, kovy, vodou v exotických vysokotlakých fázích a jen nepatrným množstvím vodíku. Z dálky přitom zakryjí při tranzitu téměř stejnou část své hvězdy.
Teprve hmotnost ukáže rozdíl. Právě proto autoři navrhují mega-Země jako samostatnou observační skupinu. Ne proto, že bychom už přesně věděli, jak vznikají, ale naopak proto, že současné kategorie jejich existenci nevystihují.
Zatím máme velmi podivnou planetu a několik možných minulostí
Největší slabinou celého příběhu je zároveň důležitá vědecká brzda. Studie GJ 523 b je v tuto chvíli preprintem a prochází recenzním řízením pro časopis The Astronomical Journal. NASA ji ve svém seznamu publikací TESS nadále vede jako nerecenzovanou práci.
Samotná kombinace měřené hmotnosti a poloměru z ní dělá mimořádně hustou planetu, pokud se výsledky potvrdí. Přesné složení jejího nitra a způsob vzniku ale zůstávají modelově závislé.
Autoři proto nenabízejí jednu definitivní odpověď. Možná planetu připravila o atmosféru série gigantických nárazů. Možná se její velké jádro vytvořilo způsobem, který nástup masivní plynné obálky zdržel, dokud plyn z okolního disku nezmizel. Možná její podivná dráha souvisí s dosud neobjeveným planetárním společníkem. A možná se zrodila už v pokřiveném disku.
Dnes známe pouze výsledek. Ve vzdálenosti 87 světelných let obíhá mladou oranžovou hvězdu svět, který má rozměry sub-Neptunu, hmotnost 23 Zemí, hustotu větší než naše planeta a oběžnou dráhu téměř postavenou na bok.
Podle běžných pravidel měl pravděpodobně skončit jako něco jiného.
Právě proto je GJ 523 b tak zajímavá.
MOHLO BY SE VÁM TAKÉ LÍBIT
Zdroje: Kód Enigma [1], arXiv – Kroft et al., „GJ 523b is a Massive, 170 Myr-old Mega-Earth, Likely on a Polar Orbit“ [2], University of Wisconsin–Madison – „Found: Mega-Earth!“ [3], NASA TESS – seznam exoplanetárních publikací, GJ 523 b vedená jako nerecenzovaná práce [4], TEPCat – GJ 523, souhrn naměřených parametrů systému [5], img AI generated
