Ο πλανητικός σχηματισμός γύρω από τους ερυθρούς νάνους

Πηγή: Πανεπιστήμιο του Τέξας, 23 Δεκεμβρίου 2006

Μια μελέτη, που δημοσιεύεται στο Astrophysical Journal Letters και της οποίας ηγήθηκε ο Beans Jacob από το πανεπιστήμιο του Τέξας στο Ώστιν, φέρνει νέες απόψεις για το πώς σχηματίζονται οι πλανήτες γύρω από τα πιο πυκνοκατοικημένα άστρα στον Γαλαξία μας. Η εργασία του Beans δείχνει ότι η χημική σύνθεση αυτών των ερυθρών νάνων άστρων μαζί με τους πλανήτες τους είναι διαφορετική από τα περισσότερα άστρα σαν τον ήλιο μας που φιλοξενούν πλανήτες -- και δείχνει ότι οι αστρονόμοι πρέπει να λάβουν υπόψη τους τη χημική σύνθεση στις αναζητήσεις των πλανητών γύρω από αυτά τα αστέρια.

Οι ερυθροί νάνοι έχουν τη χαμηλότερη μάζα από οποιοδήποτε άλλο τύπο αστεριού, που κυμαίνεται από μόλις 8% της μάζας του ήλιου έως τουλάχιστον το 60%. Εκπέμπουν, επίσης, αντίστοιχα και το λιγότερο φως, έτσι είναι πολύ δύσκολο στους αστρονόμους να τους μελετήσουν. Παρά τις ιδιότητες τους, εν τούτοις, οι ερυθροί νάνοι είναι τα πιο πολυάριθμα αστέρια στο Γαλαξία. Από τις εκατοντάδες δισεκατομμυρίων άστρων μέσα στο Γαλαξία μας, τουλάχιστον το 70 τοις εκατό είναι ερυθροί νάνοι. "Αυτός ο αριθμός τους κάνει ένα κρίσιμο δείγμα για τον καθορισμό του μέρους των άστρων γύρω από τα οποία στρέφονται πλανήτες", τονίζει ο Beans.

Κατά προσέγγιση 200 πλανήτες έχουν βρεθεί γύρω από αστέρια σαν τον ήλιο μας. Οι περισσότεροι από αυτούς τους πλανήτες έχουν μέγεθος αρκετές φορές το μέγεθος του Δία, ο μεγαλύτερος πλανήτης στο ηλιακό σύστημά μας. Αντίθετα, μόνο τρία αστέρια ερυθροί νάνοι έγιναν γνωστοί πως έχουν πλανήτες ή υποψηφίους πλανήτες κατά την διάρκεια της μελέτης του Beans: το Gliese 876, το Gliese 436, και το Gliese 581 (ένα πιθανό τέταρτο αναγγέλθηκε πρόσφατα). Το άστρο Gliese 876 φιλοξενεί δύο πλανήτες με μάζα σαν του Δία, και πιθανά έναν τρίτο με μικρότερη μάζα. Η έρευνα για πλανήτες με μικρότερες μάζες πέρα από το ηλιακό σύστημά μας θα βοηθήσει τους επιστήμονες να υπολογίσουν τον αριθμό των, ενδεχομένως, κατοικήσιμων περιβαλλόντων στο σύμπαν.

Μια ενδιαφέρουσα τάση που έχει προκύψει από τις μελέτες των άστρων σαν τον ήλιο μας γύρω από τους οποίους γυρίζουν πλανήτες με τη μάζα του Δία, είναι η μεγαλύτερη ποσότητα των "μετάλλων" -- δηλαδή στοιχεία βαρύτερα από το υδρογόνο και το ήλιο -- στις ατμόσφαιρές τους ως προς την ατμόσφαιρα των Ήλιων. Αυτή η ιδιότητα είναι γνωστή ως "μεταλλικότητα".

Η ποσότητα των βαρέων στοιχείων στην ατμόσφαιρα ενός άστρου είναι πιθανά μια ένδειξη για τη σύνθεση του νέφους του αερίου και της σκόνης από το οποίο -- και οι πλανήτες του -- σχηματίστηκαν.

Ένας άλλος επιστήμονας που υπογράφει τη μελέτη ο Fritz Benedict Benedict εξιστορεί την ιστορία του προγράμματος: "Το αρχικό κίνητρό μας ήταν να καθορίσουμε τη μεταλλικότητα των ερυθρών νάνων στα δυαδικά αστέρια για να βοηθήσουμε να διαλευκανθεί ένα απολύτως διαφορετικό πρόβλημα. Ο Jacob Beans πρώτος αναγνώρισε την αξία της εφαρμογής των τεχνικών του στην ικανότητα των ερυθρών νάνων να σχηματίζουν πλανήτες".

Οι πλανήτες αυξάνονται πιθανώς γρηγορότερα σε ένα πρωτο-αστρικό νέφος με υψηλότερη μεταλλικότητα. "Ακριβώς όπως οι σταγόνες της βροχής έχουν ανάγκη τη σκόνη στον αέρα γύρω από την οποία θα σχηματιστούν, έτσι κι ο σχηματισμός των πλανητών πιστεύεται ότι βοηθιέται από ένα παρόμοιο επιτυχές πρώτο βήμα", εξηγεί ο Benedict. "Όσο περισσότερη σκόνη είναι στον πρωτοπλανητικό δίσκο μεγαλώνει τις πιθανότητες για το σχηματισμό των πλανητών."

Σύμφωνα με τον Beans, "ο σχηματισμός των πλανητών μεγάλης μάζας σαν τον Δία είναι επίσης ένα ζήτημα χρόνου. Ένας βραχώδης πυρήνας με ικανοποιητική μάζα για να έλξει βαρυτικά πολύ αέριο θα πρέπει να σχηματιστεί προτού να αρχίσουν οι πυρηνικές καύσεις στο αστέρι και συγχρόνως η ισχυρή πίεση της ακτινοβολίας του ωθήσει μακριά το υπόλοιπο αέριο. "Προφανώς τα αστέρια σαν τον ήλιο έχουν 10% πιθανότητα να έχουν έναν πλανήτη. Η πιθανότητα για τους ερυθρούς νάνους φαίνεται να είναι πολύ λιγότερη.

Ο σκοπός της μελέτης του Beans ήταν να ανακαλυφθεί εάν οι ερυθροί νάνοι με γνωστούς πλανήτες έχουν επίσης υψηλές τιμές μεταλλικότητα. "Προβλέπεται ότι οι πλανήτες υψηλής μάζας πρέπει να είναι σπανιότεροι γύρω από τους ερυθρούς νάνους, επειδή πρέπει να υπήρχε λιγότερο υλικό για να σχηματιστεί συνολικά το αστέρι και οι πιθανοί πλανήτες του στο αρχέγονο νέφος", λέει ο Beans. "Αυτή η θεωρία υποστηρίζεται από έρευνες που ανακάλυψαν λιγότερους από αυτούς τους τύπους των πλανητών γύρω από τους ερυθρούς νάνους αστέρια. Αλλά, η εξάρτηση του σχηματισμού των πλανητών μεγάλης μάζας με τη μεταλλικότητα περιπλέκει το προηγούμενο συμπέρασμα, που ειδάλλως θα ήταν ένα απλό αποτέλεσμα. Εάν οι ερυθροί νάνοι, που ερευνούνται για πλανήτες, έχουν χαμηλότερη μεταλλικότητα από αστέρια σαν τον ήλιο μας, αυτό θα μπορούσε επίσης να προκαλέσει την ανακάλυψη λιγότερων πλανητών με υψηλή μάζα. Ο σκοπός αυτής της εργασίας ήταν να δοκιμαστούν και να διαλευκανθούν τα δύο αποτελέσματα."

Ο Beans χρησιμοποίησε δύο τηλεσκόπια στο παρατηρητήριο McDonald στο Δυτικό Τέξας για να μελετήσει τις συνθέσεις των τριών ερυθρών νάνων. Η ανάλυση του φωτός από αυτά τα μικροσκοπικά, αμυδρά αστέρια είναι δύσκολη, αναφέρει, λόγω των χαμηλών θερμοκρασιών στις ατμόσφαιρές τους -- η περιοχή από την οποία προέρχεται το φως που αναλύθηκε. "Σχηματίζονται Μόρια στην ατμόσφαιρα των άστρων που παράγουν φάσματα που είναι πολύ σύνθετα -- ένα δάσος γραμμών που όλα συνδυάζονται μαζί", συνεχίζει ο Bean.

Η εργασία του Beans περιλαμβάνει όχι μόνο τις παρατηρήσεις από τα τηλεσκόπια, αλλά  επίσης και μοντελοποίηση στον υπολογιστή. Μελέτησε και βελτίωσε τις παραγόμενες από υπολογιστή " μοντέλα ατμόσφαιρας χαμηλής θερμοκρασίας" για τα ερυθρά νάνους αστέρια.

Ο Εγγύς του Κενταύρου - το δεύτερο πλησιέστερο άστρο από τον Ήλιο απέχει 4.1 έτη φωτός - είναι ένας Ερυθρός Νάνος. Η θεωρία μας λέει ότι λόγω του πολύ αργού ρυθμού σύντηξης, τα άστρα αυτά μπορούν να ζήσουν μέχρι και 100 δισεκατομμύρια χρόνια. Είναι πολύ συνηθισμένα άστρα μέσα σε γαλαξίες αλλά δεν συνεισφέρουν και πολύ στη συνολική μάζα των γαλαξιών.

Όταν ανέλυσε τα στοιχεία των τηλεσκοπίων του με αυτά τα βελτιωμένα μοντέλα, διαπίστωσε ότι αυτοί οι ερυθροί νάνοι με πλανήτες περιέχουν σημαντικά λιγότερα μέταλλα απ' ό,τι αστέρια σαν τον ήλιο μας στους οποίους στρέφονται πλανήτες.

Η τρέχουσα θεωρία υποστηρίζει ότι οι ερυθροί νάνοι έχουν λιγότερους πλανήτες υψηλής μάζας επειδή ο ρυθμός σχηματισμού τέτοιων πλανητών εξαρτάται από τη μάζα του αστεριού γύρω από τον οποίο στρέφονται. Και μάλιστα η χαμηλή συχνότητα που ανιχνεύονται πλανήτες γύρω από τους ερυθρούς νάνους φαίνεται να υποστηρίζει αυτήν την θεωρία. Τώρα, εντούτοις, το αποτέλεσμα του Beans δείχνει ότι τα αποτελέσματα της μεταλλικότητας δεν μπορούν να αγνοηθούν όταν δοκιμάζονται οι θεωρίες σχηματισμού πλανητών γύρω από τους ερυθρούς νάνους. Εάν οι αναζητήσεις πλανητών είναι προσανατολισμένες προς ερυθρούς νάνους χαμηλής μεταλλικότητας, τότε αυτό θα μπορούσε να εξηγήσει τους χαμηλούς αριθμούς πλανητών με υψηλή μάζα που βρέθηκαν γύρω από αυτά τα αστέρια.  

Το αποτέλεσμα Beans είναι ένα προκαταρκτικό εύρημα από ένα πρόγραμμα που τρέχει για να καθοριστούν οι μεταλλικότητες όλων των ερυθρών νάνων. Επειδή τα τρία αστέρια που παρατηρήθηκαν δεν είναι ένας ικανοποιητικός αριθμός πάνω στον οποίο θα στηριχθούν σημαντικά αποτελέσματα, ο Beans θα μελετήσει τη μεταλλικότητα σε περισσότερους ερυθρούς νάνους.