physics4u - 'Καυτά δίια' συστήματα μπορεί να περιέχουν πλανήτες σαν τη Γη

Καυτά δίια συστήματα μπορεί να περιέχουν πλανήτες σαν τη Γη

Πηγή: PhysOrg, 19 Μαρτίου 2006

Ο κατάλογος των επιβεβαιωμένων εξωηλιακών πλανητών αυξάνεται γρήγορα. Υπάρχουν αυτήν την περίοδο περίπου 133 γνωστά πλανητικά συστήματα, που συνολικά περιέχουν 156 εξωπλανήτες μέχρι τον Ιανουάριο του 2006. Όσον αφορά την αναζήτηση πλανητών που μπορούν να στηρίξουν την ύπαρξη της ζωής, δυστυχώς τα αποτελέσματα είναι απογοητευτικά. Τα περισσότερα από τα εξωηλιακά συστήματα που έχουν προσδιοριστεί μέχρι τώρα είναι καυτά Δίια, δηλαδή γίγαντες αέριοι πλανήτες σε μια σταθερή τροχιά πολύ κοντά στο αστέρι τους. Τα αστρικά συστήματα με έναν καυτό Δία πίστευαν κάποτε οι αστρονόμοι ότι ήταν μάλλον ανίκανα να περιέχουν πλανήτες σαν τη Γη, αλλά νέα εκπληκτικά στοιχεία δείχνουν άλλα πράγματα.

Ένα πλανητικό σύστημα αρχίζει τη ζωή του σαν ένας δίσκος αερίου και σκόνης που περιβάλλουν ένα νεογέννητο αστέρι. Καθώς τα σωματίδια της σκόνης πλούσια σε βαριά στοιχεία συναντιούνται καθώς στροβιλίζονται, μπορούν να συγκολληθούν και να σχηματίσουν μεγαλύτερους, βραχώδεις κόκκους. Τελικά ο δίσκος του αερίου προκαλεί τον στροβιλισμό ενός σμήνους 'πλανητικών εμβρύων', κάποια βραχώδη αντικείμενα διαμέτρου λίγων εκατοντάδων χιλιομέτρων. Τα δε πλανητικά έμβρυα συνεχώς αλλάζουν τροχιές εξ αιτίας των μεταξύ τους συγκρούσεων, τελείως διαφορετικά από το εντυπωσιακό 'μπαλέτο' που βλέπουμε στο, ώριμο ηλιακό σύστημά μας.

Οι καυτοί δίιοι πλανήτες θεωρούνται ότι έχουν διαμορφωθεί στα πιο αρχικά στάδια αυτής της διαδικασίας, καθώς τα μεγαλύτερα πλανητικά έμβρυα αρχίζουν να συσσωρεύουν μάζα με ένα αληθινά εντυπωσιακό ρυθμό. Ένα ή περισσότερα μπορούν να μεγαλώσουν προς έναν ολοκληρωμένο αέριο γίγαντα πλανήτη, ο οποίος με τη βαρύτητα του καθαρίζει το δίσκο από όλα τα συντρίμμια μέσα σε μια μεγάλη ζώνη γύρω από την τροχιά του. Τα κοντινά σωματίδια και τα πλανητικά έμβρυα είτε απορροφούνται από τον γίγαντα πλανήτη, είτε συλλαμβάνονται ως δορυφόροι (σχηματίζοντας τα φεγγάρια ή δακτυλίους), είτε φεύγουν προς μια νέα τροχιά. Συχνά αυτοί οι πλανήτες μεταναστεύουν προς το γονικό αστέρι τους μόλις σχηματίζονται, σκορπίζοντας τον όλεθρο γύρω τους. Το υλικό του δίσκου μειώνεται καθώς κινούνται σπειροειδώς αργά προς το εσωτερικό, έτσι λοιπόν τα πλανητικά έμβρυα που είναι μέσα στην αρχική τροχιά του αέριου γίγαντα πλανήτη, δείχνουν να έχουν μια χαμηλή πιθανότητα να επιβιώσουν.

Ο Sean Raymond, στο πανεπιστήμιο του Κολοράντο για την Ατμοσφαιρική και Διαστημική Φυσική, δεν συμφωνεί με αυτή τη διαπίστωση. Οι σχετικές βαρυτικές αλληλεπιδράσεις μπορούν να είναι τέτοιες που οι πλανήτες στο μέγεθος του Δία μπορούν να μεταναστεύσουν σε μια πλησιέστερη, σταθερή τροχιά πιο γρήγορα από όσο νομίζουμε. Εάν λοιπόν ένας καυτός πλανήτης του μεγέθους του Δία, εγκατασταθεί στην τελική θέση του, ενώ σχηματίζονται τα πλανητικά έμβρυα, ο εσωτερικός δίσκος μπορεί ακόμα να περιέχει αρκετό αέριο και σκόνη για να σχηματίσει τους γήινους βραχώδεις πλανήτες ακόμα και μετά από την αραίωση του λόγω του περάσματος του γίγαντα αερίου πλανήτη προς το εσωτερικό.

Ο Raymond έχει συνεργαστεί με τον Tom Quinn (πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον) και Jonathan Lunine (πανεπιστήμιο της Αριζόνα) στο πρόβλημα του σχηματισμού των πλανητών στα καυτά Δίια συστήματα. Η προσέγγισή τους είναι να παρακολουθήσουν την εξέλιξη αυτών των συστημάτων μέσω των προσομοιώσεων Ν-σωμάτων για τις βαρυτικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των πλανητικών εμβρύων.

Σε ένα σύνολο προσομοιώσεων, που δημοσιεύθηκε ήδη στο περιοδικό Ίκαρος, 120 έως 180 πλανητικά έμβρυα κατανέμονται τυχαία σε έναν δίσκο ακτίνας 5 Au (κατά προσέγγιση η ακτίνα της τροχιάς του Δία μας). Ένας καυτός Δίας (τοποθετημένος σε μια απόσταση 0,15, 0,25, ή 0,5 Au από το αστέρι) σχηματίζει το εσωτερικό όριο του προσομοιούμενου δίσκου, και σε μερικές προσομοιώσεις ένας πλανήτης σαν τον Δία τοποθετείται επίσης σε απόσταση 5,2 Au. Επειδή τα σωματίδια υποτίθεται ότι αντιπροσωπεύουν έναν πλανητικό δίσκο που μειώνεται από τη μετανάστευση του καυτού Δία, η συνολική μάζα τους είναι πραγματικά μάλλον χαμηλή.

Σε κάθε πρωτοπλανήτη δίνεται μια περιεκτικότητα σε σίδηρο και νερού σύμφωνα με την απόστασή του από το αστέρι, ενώ περιέχει σημαντική περιεκτικότητα νερού μόνο για αποστάσεις μεγαλύτερες από 2 Au (η "απόσταση του χιονιού", πέρα από την οποία μπορεί να σχηματιστεί στερεός πάγος στο δίσκο). Καθώς η προσομοίωση προχωρεί, οι βαρυτικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των πρωτοπλανητών επιτρέπουν στις τροχιές να εξελιχθούν κατά φυσικό τρόπο προς μια τελική, σταθερή κατάσταση. Όταν πλησιάσουν πολύ κοντά οι πρωτοπλανήτες μπορούν να μεγαλώσουν με μια ανελαστική σύγκρουση.

Μετά από εκατό εκατομμύρια χρόνια περίπου, οι πρωτοπλανήτες μειώνονται σε μια χούφτα πλανητών παρόμοιων με τη Γη, όπως δείχνουν οι προσομοιώσεις. Αρκετά συχνά, ένας πλανήτης με υψηλή περιεκτικότητα σε νερό στην λεγόμενη κατοικήσιμη ζώνη του άστρου (την περιοχή με τέτοιες θερμοκρασίες στην επιφάνεια που επιτρέπουν την παρουσία του υγρού νερού). Έτσι, εάν σχηματιστεί νωρίς κάποιος αέριος γίγαντας πλανήτης και μεταναστεύσει γρήγορα, οι βραχώδεις και ακόμα και οι υγροί κόσμοι θα μπορούσαν να έχουν σχηματιστεί σαν επακόλουθο αυτής της κίνησης.

Μπορεί κάποιος να υποστηρίξει ότι η μετανάστευση του γίγαντα αερίου πλανήτη μέσα στο δίσκο είναι ακόμα πιο αποδιοργανωτική από ότι νομίζουμε - δηλαδή ότι δεν εξαλείφει το δίσκο εξ ολοκλήρου καθώς περνά μέσα του;

Για να απαντήσει σε αυτήν την ερώτηση, ο Raymond βελτιώνει τις προσομοιώσεις του για να αυξηθεί ο αριθμός των εμβρύων, σε περίπου χίλια, αλλά παρακολουθεί επίσης καλύτερα τι συμβαίνει κατά τη διάρκεια της μετανάστευσης ενός αερίου γίγαντα προς το αστέρι. Όπως κάποιος μπορεί να περιμένει, τα περισσότερα από τα πλανητικά έμβρυα σκορπίζουν σε ιδιαίτερα εκκεντρικές τροχιές καθώς ο γίγαντας αέριος πλανήτης διέρχεται μέσα από τον δίσκο. Παρά αυτήν την αποδιοργανωτική επίδραση, περισσεύει αρκετή σκόνη και αέριο για το σχηματισμό των πλανητών.

Αυτές οι προσομοιώσεις φέρνουν επίσης μερικά εκπληκτικά αποτελέσματα. Καταλήγουν μερικές φορές με έναν πλανήτη αρκετές φορές πιο μεγάλη από τη Γη σε μια τροχιά πολύ κοντά στο αστέρι. Σύμφωνα με τον Raymond, "Μπροστά από το γιγαντιαίο πλανήτη, συσσωρεύονται υλικά και σχηματίζουν έναν μεγάλο, βραχώδη πλανήτη πολύ γρήγορα. Δεν υπάρχει πολλή μάζα μέσα σε απόσταση 0,1 Au από το άστρο."

Αν ανίχνευαν στις προσομοιώσεις μεγάλους, βραχώδεις πλανήτες πολύ κοντά μεταξύ τους, εκεί όπου ο πλανητικός δίσκος θα ήταν πάρα πολύ λεπτός και θα ήταν δύσκολο να έχει προσαυξηθεί τοπικά, θα ήταν μια έκπληξη για τους ειδικούς. Στην πραγματικότητα, ένας τέτοιος πλανήτης μπορεί να είχε ανιχνευθεί (αν και ασθενώς) πέρυσι από μια ομάδα ερευνητών χρησιμοποιώντας το υψηλής ευκρίνειας φασματόμετρο του παρατηρητήριου Keck (Rivera et Al, 2005).

Έτσι, όχι μόνο είναι εύκολο να ανιχνευτούν οι καυτοί Δίιοι πλανήτες, αλλά τα αστρικά συστήματά τους θα είναι στόχοι για την αναζήτηση γήινων εξωηλιακών πλανητών.

Στο μέλλον, ο Raymond προγραμματίζει να επεκτείνει αυτήν την τεχνική στη μελέτη του σχηματισμού των πλανητών γύρω από άστρα χαμηλής μάζας και δυαδικά αστέρια.

Ενδιαφέρουσες ιστοσελίδες