Egzoplanetų tyrimai – dar palyginus nauja astrofizikos sritis. Pirmieji atradimai padaryti 1992 metais, o reikšmingai dideli kiekiai aptikti tik šiame amžiuje. Dabar jau žinome virš 5000 patvirtintų egzoplanetų; iš šio skaičiaus galime ekstrapoliuoti, jog vidutiniškai kiekviena Paukščių Tako žvaigždė turi po daugiau nei vieną planetą. Žinome sistemų su aštuoniomis planetomis, t.y. prilygstančių mūsiškei. Žinome ir kitokių ekstremumų. Daugybė egzoplanetų priklauso tokioms grupėms, ar rūšims, kokių Saulės sistemoje apskritai neturime. Su jomis ir kviečiu čia susipažinti.
Planetos prie žvaigždžių liekanų. Pačios pirmosios patvirtintos egzoplanetos buvo dvi planetos prie pulsaro PSR B1257+12. Pulsarais vadinamos neutroninės žvaigždės – masyvių žvaigždžių pomirtinės liekanos – kurios labai tiksliai periodiškai žybsi danguje. Žybsėjimas kyla todėl, kad didžioji dalis žvaigždės spinduliuotės sklinda siauru pluoštu išilgai magnetinės ašies, o ši nesutampa su sukimosi ašimi. Taigi neutroninė žvaigždė tampa tarsi švyturiu, kuris sukdamasis apšviečia vis kitas dangaus vietas. Jei kartais spindulys atsisuka į Žemę, matome periodinius sušvitimus. Jie ir padėjo aptikti planetas: šių gravitacija sutrikdė pulsaro periodiškumą. Periodo pokyčiai leido apskaičiuoti tiek planetų orbitų periodus, tiek jų mases.
Nors pulsarų planetas aptikome pirmąsias, tai buvo veikiau atsitiktinumas, nei tendencija. Jos ypatingai retos – šiuo metu tokių žinoma vos keliolika; dar antra tiek yra masyvesnių, rudosios nykštukės masės, kompanionių. Turint omeny, kiek žinome pulsarų, planetų greičiausiai turi tik vienas iš poros šimtų. Tai neturėtų stebinti: neutroninė žvaigždė atsiranda po supernovos sprogimo, o jį išgyventi planetoms labai sudėtinga. Be to, supernovomis sprogsta masyvios žvaigždės, kurios apskritai retai turi planetų, nes ryški spinduliuotė išgarina protoplanetinį diską greičiau, nei planetos spėja užaugti. Taigi „pirminių“ planetų prie pulsarų aptikti nesitikima. Dalis sprogimo metu išmestos medžiagos gali suformuoti diską, iš kurio vėliau išaugtų naujos planetos, bet kiek žinome, tokie diskai per greit suyra. Didžiausia tikimybė planetoms atsirasti prie pulsarų – sąveika su žvaigžde-kompanione. Neutroninės žvaigždės gravitacija gali suardyti kitą žvaigždę; likęs žvaigždės (baltosios nykštukės) branduolys gali atrodyti kaip planeta, o suardytos žvaigždės likučiai gali suformuoti diską, kurio masės pakaktų žvaigždėms formuotis.
Ar bus Saulės sistemoje? Gerokai dažniau, nei pulsarai, planetų turi kitas žvaigždžių liekanų tipas – baltosios nykštukės. Jos turi keletą privalumų, lyginant su pulsarais. Pirma, baltosios nykštukės susidaro mirus į Saulę panašioms žvaigždėms, kurios dažniausiai turi planetų. Antra, žvaigždės mirtis nėra sprogimas, taigi planetos turi daug daugiau šansų išgyventi procesą. Kai Saulė virs baltąja nykštuke, po penkių ar daugiau milijardų metų, išorinės planetos turėtų išlikti. Ar jų orbitos bus stabilios, pasakyti sunku, taigi tolimos ateities astronomai galimai matys tik suardytų planetų liekanas baltosios Saulės nykštukės atmosferoje ar aplinkoje.
Planetos-vienišės. 2000 metais Oriono ūke aptikti bent keli vieniši – nesisukantys aplink žvaigždes – objektai, kurių masė nesiekė rudosios nykštukės ribos. Rudosiomis nykštukėmis vadinami kūnai, bent 13 kartų masyvesni už Jupiterį; jų centruose pasiekiamas pakankamas tankis ir temperatūra, kad prasidėtų deuterio – sunkaus vandenilio – jungimosi termobranduolinės reakcijos. Jų energijos nepakanka, kad išpūstų kūną ir generuotų reikšmingą šviesį, todėl rudosios nykštukės nelaikomos žvaigždėmis. Įprastai manoma, kad rudosios nykštukės gali formuotis pavienės, o mažesni kūnai – ne. Visgi turint omeny, kad planetas ir rudąsias nykštukes atskiriantis kriterijus nesusijęs su jų formavimosi būdu, atrodytų keista, jei jų formavimosi pobūdis radikaliai skirtųsi. Laisvai skraidančių planetų atradimai suteikė pagrindo teiginiui, kad pavieniai kūnai gali būti ir mažesni nei 13 Jupiterio masių.
Visgi yra ir kitas galimas paaiškinimas: laisvai skraidančios planetos galėjo susiformuoti planetinėse sistemose, tačiau vėliau iš jų buvo išmestos. Pabėgti nuo gimtosios žvaigždės planeta gali dėl gravitacinių perturbacijų, kurių šaltiniai galimi net keli. Vienas jų – sąveika su kitomis planetomis toje pačioje sistemoje: artimi prasilenkimai gali destabilizuoti vienos ar daugiau planetų orbitas. Kitas – kaimyninės žvaigždės, kurių kiekvienos sistemos jaunystėje netrūksta, mat žvaigždės formuojasi grupėse. Tokia kaimynė, pralėkusi netgi keletą kartų toliau, nei planetos orbita, gali šią patraukti pakankamai, jog planeta išlėktų lauk. Dar gali būti lėtesnis bendro Galaktikos gravitacinio lauko poveikis, o mažas planetas išspirti lauk gali netgi susidūrimai su didelėmis uolienomis – planetesimalėmis – formavimosi metu.
Kuris paaiškinimas teisingesnis? Ar planetos-vienišės tokios ir susiformuoja, ar išlekia iš planetinių sistemų? Kol kas atsakymo neturime; nepadeda ir tai, kad tokių planetų kol kas žinoma tikrai neypatingai daug. Situaciją keičia nuo 2013 metų dirbantis Gaia teleskopas ir, aišku, James Webb. Pastaraisiais metais atrasta šimtai laisvai skrajojančių planetinės masės kūnų, pavyzdžiui Aukštutinio Skorpiono asociacijoje ir Oriono ūke. Naujieji duomenys rodo, jog greičiausiai vien nepriklausomo formavimosi nepakanka, ir bent dalis – greičiausiai daugiau nei pusė – planetų-vienišių buvo išmestos iš žvaigždžių aplinkos. Įdomu, kad nemažai vienišių iš tiesų nėra vienišės: net beveik kas dešimta yra dvinarėje sistemoje. Galbūt ši populiacijos savybė padės išsiaiškinti tikrąją jų prigimtį, bet kol kas modeliai vienareikšmio atsakymo neduoda.
Ar galėjo išlėkti iš Saulės sistemos? Žinant, kad planetos-vienišės galėjo gimti prie žvaigždžių ir vėliau pabėgti iš jų aplinkos, natūraliai kyla klausimas, ar taip galėjo būti ir Saulės sistemoje. Ir atsakymas čia yra „greičiausiai taip“. Pagal šiandieninį Saulės sistemos formavimosi modelį, pagal sukūrimo vietą pavadintą Nicos vardu, pradžioje greičiausiai buvo ne keturios, o penkios didžiosios planetos. Viena jų, turbūt panaši į Uraną ir Neptūną, buvo išmesta lauk (apie planetų migraciją daugiau rašiau prieš keletą metų, o apie Nicos modelio pasekmes Saulės sistemos pakraščiams – prieš keletą mėnesių). Taigi tikėtina, kad kažkur Paukščių Take skrajoja planeta, gimusi visai šalia mūsų. Bet kur ji yra dabar, atsakyti greičiausiai niekada nepajėgsime.
Karštieji jupiteriai. Pirmoji planeta, aptikta prie į Saulę panašios žvaigždės, buvo Pegaso 51 b; šiandien ji turi vardą Dimidija. Pegaso 51 yra tik truputį masyvesnė už Saulę, o planetos masė siekia pusę Jupiterio masės. Abi šios savybės mums, gyvenantiems Saulės sistemoje, nėra egzotiškos. Tačiau planetos orbita – kitas reikalas: vieną ratą aplink žvaigždę ji apsuka per 4,2 Žemės paros. Palyginimui, artimiausia Saulei planeta Merkurijus užtrunka 88 paras. Tai buvo pirmasis „karštasis jupiteris“, bet toli gražu ne paskutinis.
Kurį laiką buvo manoma, kad karštieji jupiteriai – vienas dažniausių planetų tipų Galaktikoje. Bet toks įspūdis – klaidingas. Jis atsirado todėl, kad karštųjų jupiterių buvo randama daugiau, nei kitokių planetų, bet jų daugiau randama todėl, kad rasti juos lengviausia. Du pagrindiniai planetų aptikimo būdai – radialinių greičių ir tranzitų metodai – jautresni masyvesnėms/didesnėms planetoms ir arčiau žvaigždžių esančioms planetoms. Karštieji jupiteriai atitinka abu šiuos kriterijus. Gausėjant egzoplanetų atradimų ir įvertinus šiuos aptikimo šališkumus (angl. bias) apskaičiuota, jog karštųjų jupiterių turi mažiau nei viena iš šimto žvaigždžių.
Kodėl neturime Saulės sistemoje? Karštųjų jupiterių randame prie panašių į Saulę žvaigždžių, taigi iš principo tokią planetą galėjo turėti ir mūsų žvaigždė. Priežastis, kodėl taip nėra, galime išskirti dvi. Pirmoji – ta pati aukščiau paminėta statistika. Jei karštųjų jupiterių turi mažiau nei viena iš šimto žvaigždžių, tai tiesiog mažai tikėtina, kad kuri nors atsitiktinai paimta žvaigždė tokią planetą turėtų. Antroji susijusi su karštųjų jupiterių atsiradimu.
Planetos, kaip žinia, formuojasi protoplanetiniame diske. Arti žvaigždės disko medžiagos paprasčiausiai nepakanka, kad ten išaugtų dujinė milžinė. Net jei pradeda augti masyvus uolinis branduolys, šiam nespėjus pasiekti užtektinos masės, kad išlaikytų vandenilio ir helio atmosferą, tas dujas nupučia žvaigždės spinduliuotė ir vėjas. Taigi karštieji jupiteriai susiformavo šalti, o įkaito tik vėliau, atmigravę prie žvaigždės. Masyvios planetos migracija greičiausiai išsvaidytų pakeliui sutiktas mažesnes planetas į šalis – numestų jas į žvaigždę, išsiųstų į sistemos pakraščius arba išvis į tarpžvaigždinę erdvę. Taigi, jei Saulės sistema turėtų karštąjį jupiterį, greičiausiai Žemės čia nebūtų, taigi nebūtų ir mūsų, kurie galėtume užduoti tokį klausimą. Toks atsakymas – viena iš antropinio principo formų.
Superžemės ir mini-neptūnai. Gausėjant egzoplanetų atradimų, tapo įmanoma nustatyti, kiek iš tiesų esama ir mažesnių nei Jupiteris planetų. Lengviausia analizuoti jų spindulius, nes dauguma planetų aptiktos tranzitų metodu, o masę žinome tikrai ne visada. Einant prie vis mažesnių masių, planetų skaičius kurį laiką didėja: Saturno dydžio planetų daugiau nei Jupiterio, Urano ir Neptūno dydžio – daugiau nei Saturno. Jų gausėja ir toliau: pusantro karto mažesnių už Neptūną yra dešimteriopai daugiau, nei Neptūno dydžio. Tokios planetos, vadinamos mini-neptūnais, sudėtimi turėtų būti panašios į mūsų ledinę milžinę: daug lakiųjų junginių, stora vandenilio, helio ir įvairių molekulių atmosfera, giliai slepianti kietą paviršių, jei toks apskritai egzistuoja.
Ties dar mažesniu spinduliu situacija apsiverčia – planetų ima mažėti. Maždaug ties puse Neptūno spindulio arba, atitinkamai, dviem Žemės spinduliais pasiekiame „spindulio tarpą“: žinoma labai nedaug planetų, kurių spindulys siekia tarp 1,6 ir 2 Žemės spindulių. Dar mažesnės planetos vadinamos superžemėmis – jos turėtų būti uolinės, nors kai kurios gali turėti daug daugiau vandens, nei mūsų planeta. Tarpas greičiausiai atsiranda todėl, kad pasiekusi apie 1,6 Žemės spindulius, planeta tampa pajėgi išlaikyti storą atmosferą, bet ne visos planetos tokią spėja sukaupti.
Tarp šiuo metu žinomų patvirtintų egzoplanetų – jų skaičius neseniai viršijo 5500 – dujinių milžinių, kaip Jupiteris ir Saturnas, yra 1770, Neptūno dydžio – 1912, superžemių – 1678, o mažesnių – 199. Lyginant šiuos skaičius svarbu nepamiršti, kad kuo planeta didesnė, tuo lengviau ją aptikti. Taigi superžemių ir mini-neptūnų tikrai yra daugiau, nei jupiterių. Panašu, kad jų gali būti panašiai tiek, kiek ir mažesnių, Žemės dydžio, planetų, tačiau tiksliai pasakyti labai sudėtinga dėl kol kas didelių paklaidų.
Kodėl neturime Saulės sistemoje? Jei superžemės ir mini-neptūnai yra tokios dažnos planetos, kodėl jų neturime Saulės sistemoje? Čia nėra nei vienos planetos (neskaitant kol kas hipotetinės devintosios, kuri gali būti superžemės dydžio), kuri būtų didesnė už Žemę, bet mažesnė už Neptūną. Priežasties tiksliai nežinome, bet ji galimai susijusi su Jupiteriu.
Prieš keletą metų pastebėta, jog mažesnės už Saulę žvaigždės turi daugiau tranzituojančių planetų, nei Saulės masės žvaigždės. Netrukus sugalvotas ir paaiškinimas: pasirodo, masyvesniame protoplanetiniame diske prie didesnės žvaigždės lengviau užaugti masyviai, į Jupiterį panašiai, planetai, o jos gravitacija sulėtina artimesnių žvaigždei planetų augimą. Būtent toks scenarijus galėjo nutikti ir Saulės sistemoje: išaugęs Jupiteris nepaliko pakankamai medžiagos, kad arčiau Saulės galėtų susiformuoti superžemė. Jupiteris galėjo turėti ir kitokį poveikį: tik susiformavęs, jis migravo iš pradžių artyn prie Saulės, paskui tolyn nuo jos. Toks judėjimas galėjo „išvalyti“ centrinę protoplanetinio disko dalį, sunaikinti daugumą ten besiformuojančių planetų, o likusioms palikti tik labai mažai medžiagos. Kaip rašiau aukščiau, Jupiterio masės planetos nėra labai dažnos – tai paaiškina, kodėl superžemių yra daug. O turint omeny, kad Jupiteris greičiausiai buvo būtinas, kad Žemėje susidarytų tinkamos gyvybei sąlygos ir kad gyvybė išliktų visus puspenkto milijardo metų, darosi suprantama ir kodėl superžemių nėra Saulės sistemoje. Taigi ir čia atsakymas remiasi antropiniu principu.
Visata mus stebina su kiekvienu nauju atradimu. Egzoplanetų atradimai netruko apversti visas ankstesnes idėjas apie planetų formavimąsi. Supratome, kad Saulės sistema toli gražu nėra tipinė, tačiau mintys, kuo būtent ji išskirtinė aiškintis, keitėsi ne kartą. Gali būti, kad keisis ir vėliau, nes egzoplanetų įvairovė tiesiog stulbina. Naujų atrandama kone kasdien, archyvinių duomenų analizei turime dešimtmečiams, vis geriau išsiaiškiname jau atrastųjų savybes, taigi potencialo naujiems netikėtumams – daugiau nei pakankamai.
Laiqualasse