Visa šī svešo pasaļu daudzveidība, ko esam atklājuši: superzeme, mini-Neptūni, lava pasaules un citi.
1. No retām parādībām līdz plaši izplatītiem fenomeniem
Vēl pirms dažiem desmitiem gadu planētas ārpus mūsu Saules sistēmas bija tikai minējums. Kopš pirmajiem apstiprinātajiem atklājumiem 1990. gados (piemēram, 51 Pegasi b) egzoplanētu pētījumu lauks ir strauji paplašinājies – tagad zinām vairāk nekā 5000 apstiprinātas planētas un vēl daudz kandidātu. Kepler, TESS un zemes bāzes starojuma ātruma (radial velocity) pētījumi atklājuši, ka:
- Planētu sistēmas ir ļoti izplatītas – lielākajai daļai zvaigžņu ir vismaz viena planēta.
- Planētu masas un orbitālās struktūras ir daudz daudzveidīgākas, nekā sākotnēji domājām, šeit atrodam planētu klases, kādas mūsu Sistēmā nav.
Šī eksoplanētu daudzveidība – karstie Jupiteri, superzemes, mini-Neptūni, lavu pasaules, okeānu pasaules, sub-Neptūni, ļoti īsu orbītu akmeņainie ķermeņi un tālas milzu planētas – parāda, cik radoša var būt planētu veidošanās dažādās zvaigžņu vidēs. Šie jauni tipi arī izaicina mūsu teorētiskos modeļus, liekot uzlabot migrācijas scenārijus, disku substruktūras un alternatīvas veidošanās metodes.
2. Karstie Jupiteri: masīvi milži tuvu zvaigznēm
2.1 Pirmie pārsteigumi
Viens no pirmajiem pārsteidzošajiem atklājumiem bija 51 Pegasi b (1995) – karstais Jupiteris, kura masa ir līdzīga Jupiteram, bet kas riņķo tikai 0,05 AU attālumā no zvaigznes, orbītu veicot aptuveni 4 dienās. Tas lauza mūsu Saules sistēmas izpratni, kur milzu planētas "dzīvo" aukstās tālās zonās.
2.2 Migrācijas hipotēze
Karstie Jupiteri, visticamāk, veidojas aiz aukstuma robežas, tāpat kā parastās joviālās planētas, bet vēlāk pārvietojas iekšā, pateicoties planētas un diska mijiedarbībai diskā (II tipa migrācija) vai vēlākām dinamiskām procesām (planētu savstarpēja izkliede un piespiedu apaļošana). Pašlaik radiālās ātruma (radial velocity) pētījumi joprojām atrod daudz šādu milžu tuvu zvaigznei, lai gan tie veido tikai dažus procentus Saules tipa zvaigznēm, kas liecina, ka karstie Jupiteri nav ļoti izplatīti, bet paliek nozīmīgs fenomens [1], [2].
2.3 Fiziskās īpašības
- Lielāks rādiuss: Daudziem karstajiem Jupiteriem ir "uzpūsti" rādiusi, iespējams, stipras zvaigznes starojuma vai iekšējo siltuma mehānismu dēļ.
- Atmosfēru pētījumi: Pārejas (transīta) spektroskopija atklāj nātrija, kālija līnijas, bet īpaši karstās reizēm pat iztvaikojušus metālus (piemēram, dzelzi).
- Orbīta un rotācijas ass: Daļai karsto Jupiteru ir būtiski slīpas orbītas lielā leņķī pret planētas zvaigznes rotāciju, kas liecina par dinamisku migrācijas vai izkliedes vēsturi.
3. Superzemes un mini-Neptūni: starpposma parametru planētas
3.1 Vidēja izmēra pasaules atklāšana
Viens no visbiežāk sastopamajiem eksoplanētu veidiem, ko atklājis Kepler, ir tās, kuru rādiusi ir ap 1–4 Zemes rādiusi, bet masas – no dažām Zemes masām līdz ~10–15 Zemes masām. Šīs planētas, sauktas par superzemeēm (ja galvenokārt akmeņainas) vai mini-Neptūniem (ja tām ir jūtams ūdeņraža/helija apvalks), aizpilda nišu, kādas mūsu Saules sistēmai nav – jo mūsu Zeme (~1 R⊕) un Neptūns (~3,9 R⊕) atstāj ievērojamu plaisu. Taču eksoplanētu dati rāda, ka daudziem zvaigžņu sistēmām ir tieši šādas vidēja rādiusa/masas planētas [3].
3.2 Pamatkomponentu daudzveidība
Superzemes: Iespējams, dominē silikāti/ dzelzs, ar plānu vai bez gāzveida apvalka. Varētu būt veidojušās tuvu iekšējam diskam un būt lieliem iežu ķermeņiem (dažām ir ūdens slāņi vai biezas atmosfēras).
Mini-Neptūni: Līdzīgas masas, bet ar biezāku H/He vai gaistošo vielu slāni, tāpēc mazāks blīvums. Varbūt veidojušies nedaudz tālāk no aukstuma līnijas vai paspējuši piesaistīt vairāk gāzu, kamēr disks vēl pastāvēja.
Pāreja no superzemes uz mini-Neptūnu liecina, ka pat nelielas atšķirības veidošanās laikā vai vietā var radīt ievērojamas atšķirības atmosfērās un galīgajā blīvumā.
3.3 Rādiusa plaisa
Detalizēti pētījumi (piemēram, California-Kepler Survey) atklāja "rādiusa plaisu" ap ~1,5–2 Zemes rādiusa robežu. Tas nozīmē, ka daļa mazāko planētu zaudē atmosfēras (pārvēršas par iežu superzemēm), bet citas tās saglabā (mini-Neptūni). Šis fenomens, visticamāk, saistīts ar zvaigznes starojuma fotoiztvaikošanu vai atšķirīgiem kodola izmēriem [4].
4. Lavas pasaules: ļoti īsu orbītu iežu planētas
4.1 Piespiedu sinhronizācija un izkususi virsma
Dažas eksoplanētas riņķo ļoti tuvu zvaigznei, griežoties īsāk nekā 1 dienā. Ja tās ir iežu planētas, virsmas temperatūra var būt ievērojami augstāka par silikātu kušanas punktu, pārvēršot to zvaigznes pusi par magmas okeānu. Tās ir tā sauktās lavas pasaules, piemēri ir CoRoT-7b, Kepler-10b, K2-141b. Var pat veidoties iztvaikojuša minerāla atmosfēra [5].
4.2 Veidošanās un migrācija
Iespējams, ka šīs planētas nav radušās tik tuvu zvaigznei (tur disks būtu pārāk karsts), bet migrējušas līdzīgi kā karstie Jupiteri, tikai ar mazāku masu vai bez gāzu pievienošanās. Novērojot to neparasto sastāvu (piemēram, dzelzs tvaiku līnijas) vai fāžu līkņu izmaiņas, varam pārbaudīt augstas temperatūras atmosfēras un virsmas iztvaikošanas teorijas.
4.3 Tektonika un atmosfēra
Teorētiski lavas pasaules varētu būt intensīva vulkāniskā vai tektoniskā aktivitāte, ja joprojām saglabājas gaistošās vielas. Tomēr lielākā daļa zaudē atmosfēru spēcīgas fotoiztvaikošanas dēļ. Dažas var veidot dzelzs "mākonus" vai "lietus", bet to ir grūti tieši pārbaudīt. To pētījums palīdz izprast ekstrēmus "iežu eksoplanētu" gadījumus – kur ieži iztvaiko, iedarbojoties zvaigznei.
5. Daudzplanētu rezonanses sistēmas
5.1 Ciešas rezonanses ķēdes
Kepler pētījumi atklāja daudzas zvaigžņu sistēmas ar 3–7 vai vairāk cieši izvietotām sub-Neptūnu vai superzemju planētām. Dažas (piemēram, TRAPPIST-1) rāda gandrīz rezonanses ķēdes saites starp blakus esošajām planētām, piemēram, 3:2, 4:3, 5:4 utt. To skaidro diska migrācija, kas savieno planētas savstarpējās rezonansēs. Ja tās paliek stabilas, rezultāts ir cieša rezonanses ķēde.
5.2 Dinaminis stabilumas
Nors daugelis tokiu daugiaplančiu sistemu sukasi stabiliai rezonansinemis orbitomis, kitose tiketinas dalinis issklaidymas ar susidurimai, paliekant mazesni planetu skaiciu ar didesnius atstumus tarp ju. Egzoplanetu populiacijoje randame nuo keliu susispaudziu superzemu iki milziniu planetu aukstomis ekscentriskomis orbitomis – tai atspindi planetu tarpusavio saveikos galimybes, leidziančias sukurti ar suardyti rezonansus.
6. Tolimose orbitose esancios milzines ir tiesioginis vaizdavimas
6.1 Atitole dujiniai milzinai
Nuo 2000-uju vykdomi tiesioginio vaizdavimo tyrimai (Subaru, VLT/SPHERE, Gemini/GPI) retkarciais randa masyviu jovisku ar net superjovisku planetu, nutolusiu desimtis ar simtus AV nuo zvaigzdes (pvz., HR 8799 keturi milziniai). Jos gali susidaryti per branduolio akrecija, jei diskas buvo masyvus, arba del gravitacines nestabilumo isoriniame diske.
6.2 Ruda nykstuke ar planetine mase?
Kai kurie tolimi palydovai priarteja prie ~13 Jupiterio masiu ribos, skiriancios rudas nykstukes (galincias lydyti deuterį) nuo egzoplanetu. Nustatyti, ar tokios didziules mases „drauges" yra planeta, ar rudoji nykstuke, kartais priklauso nuo susidarymo istorijos ar dinamines aplinkos.
6.3 Poveikis isoriniams nuolauzu diskams
Placiais orbitomis besisukancios milzines gali formuoti nuolauzu diskus, isvalyti tarpelus ar kurti ziedines strukturas. Pavyzdziui, HR 8799 turi vidine nuolauzu juosta ir tolimą isorine juosta, o planetos stovi per viduri. Tokios sistemos tyrimas padeda suvokti, kaip milzines planetos pertvarko likusias planetesimales – kaip musu sistemoje Neptunas veikė Koiperio juosta.
7. Neiprasti reiskiniai: potyninis sildymas, nykstancios planetos
7.1 Potyninis sildymas: „Ijo" efektas ar super-Ganimedai
Stipriu potyniniu jegu egzistavimas egzoplanetu sistemose gali sukelti intensyvu vidini sildyma. Kai kurios superzeme rezonanse gali patirti vulkanizma ar kriovulkanizma (jei toliau nuo zvaigzdes). Bet kokiu galimu duju issiskyrimu pastebejimas ar neiprastai spektrines zymes patvirtintu, kad potynine geologija egzistuoja ne vien Io pavyzdyje.
7.2 Isgaruojancios atmosferos (karstos egzoplanetos)
Zvaigzdes UV spinduliuote gali „nudraskyti" virsutinius sluoksnius, sukurti isgaruojanciu ar „hthoniniu" liekanu. Pvz., GJ 436b rodo plusancias helio/hidrogeno „uodegas". Taip galima susidaryti sub-Neptunu, kurie netenka dalies mases ir tampa superzeme (tai siejama su mineta spindulio spraga).
7.3 Ļoti blīvas planētas
Atklātas arī ļoti augsta blīvuma eksoplanētas – iespējams, dzelzs vai zaudējušas mantiju. Ja planēta ir piedzīvojusi triecienu vai izkliedēšanu, kas aiznesis gaistošās un silikāta daļas, paliktu „dzelzs planēta“. Šādu ekstrēmu gadījumu pētījumi palīdz izprast disku ķīmijas un dinamikas daudzveidību.
8. Dzīvotspējīgā zona un iespējami dzīvotspējīgi pasauli
8.1 Zemei līdzīgi atbilstības
Daudzu eksoplanētu vidū dažas riņķo savas zvaigznes dzīvotspējīgajā zonā, saņemot pietiekami, bet ne pārāk daudz starojuma, lai ūdens varētu saglabāties šķidrā veidā, ja atmosfēra ir piemērota. Daudzas no šīm planētām ir superzeme vai mini-Neptūni; vai tās tiešām līdzinās Zemei, nav skaidrs, bet šis jautājums ir ļoti svarīgs iespējamās dzīvības dēļ.
8.2 M pundurzemju pasaules
Mazās sarkanās (M) pundurzemes – populārākās zvaigznes Galaktikā – bieži ir vairākas akmeņainas vai sub-Neptūnu planētas ciešās orbītās. Tās dzīvotspējas zonas ir ļoti tuvu zvaigznei. Tomēr tas rada izaicinājumus: piespiedu sinhronizācija, spēcīgi zvaigznes uzliesmojumi, iespējama ūdens zudums. Tomēr TRAPPIST-1 ar septiņām Zemes izmēra planētām parādīja, cik dažādi un iespējami dzīvotspējīgi var būt M pundurzemju pasauli.
8.3 Atmosfēru pētījumi
Lai novērtētu iespējamo dzīvotspēju vai meklētu biosignatūras, JWST, nākotnes ļoti lielie teleskopi (ELT) un citas misijas analizēs eksoplanētu atmosfēras. Smalkas spektrālās pēdas (piemēram, O2, H2O, CH4) var liecināt par dzīvības apstākļiem. Daudzveidība eksoplanētu pasaulēs – no superkarstiem lavīniem līdz sub-aukstiem mini-Neptūniem – nozīmē, ka atmosfēru ķīmija un iespējamie klimata apstākļi ir ļoti dažādi.
9. Sintēze: kāpēc tāda daudzveidība?
9.1 Atšķirīgi veidošanās ceļi
Nelielas sākotnējās atšķirības – protoplanetārā diska masa, ķīmiskais sastāvs, ilgmūžība – var būtiski mainīt galīgos rezultātus: dažas sistēmas izveido lielus gāzes milžus, citas tikai mazas akmeņainas vai ledus bagātas planētas. Disku migrācija un planētu savstarpējās mijiedarbības vēl vairāk pārvieto orbītas, tāpēc galīgais attēls var būt ļoti atšķirīgs no mūsu Saules sistēmas.
9.2 Zvaigznes tips un vide
Zvaigzdes masa un gaismas stiprums nosaka sniega linijas vietu, diska temperatūras profilu, dzivojamās zonas robežas. Lielas masas zvaigznes ir īsākus diskus, kas var ātri veidot milžņus vai nespēj izveidot daudz mazu pasauliņu. M pundurzemes ar mazākiem diskiem bieži veido superzemi vai mini-Neptūnu komplektus. Turklāt zvaigznes vide (piemēram, netālu esošie OB kopas locekļi) var fotoiztvaikot disku, izdzēšot ārējo sistēmu, tā veicinot citu planētu beigas.
9.3 Turpmākie pētījumi
Egzoplanētu novērošanas metodes (tranzīti, radiālais ātrums, tiešā attēlošana, mikrolēcu efekts) pastāvīgi uzlabojas, ļaujot labāk noteikt masu un rādiusa attiecības, ass slīpumu, atmosfēru sastāvu un orbitālo struktūru. Tā eksoplanētu “zooloģiskais dārzs” ar karstajiem Jupiteriem, super-Zemēm, mini-Neptūniem, lavas pasaulēm, okeāna pasaulēm, sub-Neptūniem un citiem tipiem nepārtraukti piepildās, atklājot kompleksas procesu kombinācijas, kas veido šo daudzveidību.
10. Secinājums
Egzoplanētu daudzveidība aptver milzīgu planētu masu, izmēru un orbītu izvietojuma spektru – daudz plašāku nekā mūsu Saules sistēma. No kvēlojošiem “lavas pasauliem” ļoti īsās orbītās līdz super-Zemēm un mini-Neptūniem, kas aizpilda plaisas, kādu mūsu sistēmā nav, un no karstajiem Jupiteriem tuvu zvaigznei līdz milžiem rezonanses ķēdēs vai plašās tālās orbītās – visi šie svešie pasauli atklāj, kā diska fizika, migrācija, izkliedēšana un zvaigžņu vide savijas kopā.
Šo “dīvaino” konfigurāciju pētīšana ļauj astronomiem pilnveidot planētu veidošanās un evolūcijas modeļus, pakāpeniski radot visaptverošu izpratni par to, kā no kosmiskajiem putekļiem un gāzēm rodas tāda daudzveidība planētu. Ar arvien labāku teleskopu aprīkojumu un atklāšanas metodēm nākotnē varēsim vēl dziļāk iedziļināties šajās pasaulēs – pētot to atmosfēras, iespējamo dzīvības piemērotību un fiziku, kas nosaka katras zvaigznes unikālo planētu saimi.
Saites un turpmākā lasīšana
- Mayor, M., & Queloz, D. (1995). “Jupitera masas pavadonis saules tipa zvaigznei.” Nature, 378, 355–359.
- Winn, J. N., & Fabrycky, D. C. (2015). “Eksoplanētu sistēmu sastopamība un arhitektūra.” Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 53, 409–447.
- Batalha, N. M., et al. (2013). “Planētu kandidāti, ko novērojis Keplers. III. Pirmo 16 mēnešu datu analīze.” The Astrophysical Journal Supplement Series, 204, 24.
- Fulton, B. J., et al. (2017). “Kalifornijas-Keplera pētījums. III. Robeža mazo planētu rādiusu sadalījumā.” The Astronomical Journal, 154, 109.
- Demory, B.-O. (2014). “Planētu iekšpuses un saimniekzvaigznes sastāvs: secinājumi no blīviem karstiem super-Zemes tipa objektiem.” The Astrophysical Journal Letters, 789, L20.
- Vanderburg, A., & Johnson, J. A. (2014). “Tehnika ļoti precīzai fotometrijas iegūšanai divriteņu Keplera misijai.” Publications of the Astronomical Society of the Pacific, 126, 948–958.