Kas yra planeta? Šis klausimas prieš du dešimtmečius pritraukė nemažos visuomenės dalies dėmesį, kai Tarptautinė astronomų sąjunga pakeitė apibrėžimą ir taip išbraukė Plutoną iš Saulės sistemos planetų sąrašo. Pagal naująjį apibrėžimą, „planeta“ yra kūnas, skriejantis orbita tiesiai aplink Saulę (taigi, ne palydovas), pakankamai didelis, kad būtų apvalus (taip atmetami asteroidai) ir kad išvalytų savo orbitos apylinkes nuo kitų panašaus dydžio kūnų (šis kriterijus pašalina Plutoną ir kitas nykštukines planetas – tuo pat metu naujai sukurtą kategoriją, kuriai taikomi tik pirmi du kriterijai). Tačiau žodis „planeta“ dažnai naudojamas daug platesne reikšme. Taip apibūdinami ir objektai, skriejantys aplink kitas žvaigždes, nors tiksliau juos reikėtų vadinti egzoplanetomis.
Dar viena dangaus kūnų kategorija, irgi vadinama planetomis, nors jai netinka oficialus planetos apibrėžimas, yra planetos-vienišės. Dar jos vadinamos laisvai skrajojančiomis planetomis (angl. free-floating planets), planetomis-klajūnėmis (wandering planets) ir – tai mano mėgstamiausias terminas – „stepių vilkais“ (steppenwolf planets). Tai – planetos, neturinčios savo žvaigždžių. Jos skrajoja pačios sau, kartais poruojasi su kitomis panašiomis, kartais turi palydovų, o kai kuriose net gali egzistuoti gyvybė. Kaip jas aptinkame? Kaip jos atsiranda? Kviečiu skaityti žemiau.
Šį pažintinį straipsnį parašiau, nes turiu daug dosnių remėjų Contribee platformoje. Ačiū jums! Jei manote, kad mano tekstai verti reguliarios paramos, prisijunkite prie jų.
Pirmąsias užuominas apie planetų-vienišių egzistavimą gavome prieš ketvirtį amžiaus. 2000 metais atlikę Trapecijos spiečiaus Oriono ūke stebėjimus infraraudonųjų spindulių ruože, astronomai aptiko daugiau nei pusantro šimto objektų, mažesnių už mažiausias žvaigždes. Tokie objektai vadinami rudosiomis nykštukėmis, apie jas esu rašęs seniau. Rudųjų nykštukių ir žvaigždžių skirtis, ties maždaug 8% Saulės masės arba 80 Jupiterio masių, yra gana aiški: masyvesnių objektų centre pasiekiamos sąlygos, tinkamos termobranduolinėms reakcijoms, kurių metu protonai jungiasi į helio branduolius. Rudosiose nykštukėse termobranduolinės reakcijos irgi vyksta, tačiau gerokai menkesnės, nes jose jungtis gali tik deuterio ir tričio branduoliai, turintys vieną protoną ir, atitinkamai, vieną arba du neutronus. Jų yra gerokai mažiau, nei pavienių protonų, tad ir reakcijų išskiriama energija gerokai mažesnė ir negali nusverti gravitacijos.
Bet kuo objektas mažesnis, tuo sunkiau vykti ir šioms reakcijoms. Maždaug 13 Jupiterio masių, arba 1,3% Saulės masės, yra riba, žemiau kurios termobranduolinės reakcijos nebevyksta apskritai; tokius objektus vadiname planetomis. Tarp 2000-aisiais aptiktų objektų tokių buvo bent keletas. Tais pačiais metais dar keli vieniši planetinės masės objektai aptikti kitame spiečiuje Oriono žvaigždyne. Aptikti juos pavyko tik todėl, kad jie labai jauni – Trapecijos spiečiuje žvaigždžių formavimasis baigėsi prieš mažiau nei pusę milijono metų, Oriono sigmos – prieš 1-5 milijonus. Tad mažieji ten skraidantys kūnai švyti didele dalimi dėl formavimosi metu sukauptos energijos.
Kaip aptikti laisvai skriejančią planetą, kuri jau išspinduliavo didelę dalį pirminių energijos atsargų? Pagrindinis būdas – gravitacinis mikrolęšiavimas. Šis metodas pagrįstas nuolatiniais plačių dangaus regionų stebėjimais, laukiant retų ir neprognozuojamų žvaigždžių paryškėjimų. Paryškėjimas nutinka, kai tarp žvaigždės ir mūsų praskrieja kitas, įprastai nematomas, objektas. Tai gali būti juodoji skylė, neutroninė žvaigždė (šios nors ir spinduliuoja, bet labai blausiai), rudoji nykštukė ar planeta. Plačiau apie gravitacinio lęšio reiškinį rašiau čia. Mums svarbus mikrolęšiavimo aspektas yra tai, kad juo galima nustatyti lęšiuojančio objekto masę. 2011 metais grupė mokslininkų apžvelgė dvejų metų stebėjimų duomenis, apimančius daugiau nei 50 milijonų žvaigždžių Paukščių Tako centro kryptimi stebėjimus. Juose rado beveik penkis šimtus mikrolęšiavimo įvykių, iš kurių dešimtį galėjo sukelti maždaug Jupiterio masės kūnai, šalia kurių nebuvo žvaigždžių – paprasčiau tariant, planetos-vienišės. Remdamiesi šiais duomenimis tyrėjai įvertino, kad Paukščių Take gali būti dvigubai daugiau planetų-vienišių, nei žvaigždžių. Kiti vertinimai svyruoja nuo vienos Jupiterio masės planetos keturioms žvaigždėms iki daugiau nei šimto tūkstančių už Mėnulį masyvesnių laisvų objektų vienai žvaigždei. Akivaizdu, kad tikslius skaičius įvertinti sudėtinga, bet jie turėtų būti didžiuliai.
Taigi, planetų-vienišių vien Paukščių Take turėtų būti šimtai milijardų. Iš kur jos atsiranda? Bent dalį atsakymo sufleruoja jau pirmasis atradimas – tas pats iš Trapecijos spiečiaus. Nors mažesnius objektus aptikti sunkiau, nei didesnius, tą sudėtingumą galima įvertinti, o tada nustatyti, kiek iš tiesų yra skirtingos masės objektų. 2000-ųjų metų tyrimo autoriai įvertino, jog mažųjų objektų masių pasiskirstymas greičiausiai turi apytikrę ribą: objektų, kurių masė mažesnė nei aštuonios Jupiterio masės, yra daug mažiau, nei didesnių, o kituose masės intervaluose jų skaičius kinta tolygiau. Tokia tendencija perša išvadą, kad objektai, masyvesni nei aštuonios Jupiterio masės, formuojasi panašiu būdu, nesvarbu, ar tai būtų planetos-vienišės, ar rudosios nykštukės, ar žvaigždės. Milžiniškas tarpžvaigždinių dujų debesis traukiasi ir byra į fragmentus, kurių masės gali būti labai skirtingos. Vieni fragmentai prisitraukia aplinkinių dujų ir išauga į žvaigždes, kiti lieka maži ir tampa subžvaigždiniais objektais. Nei „standartinių“ termobranduolinių reakcijų, skiriančių rudąsias nykštukes nuo žvaigždžių, nei deuterio jungimosi, skiriančių jas nuo planetų, vyksmo galimybė neturi įtakos objekto formavimuisi, tad būtų keista, jei mažiausių fragmentų masė sutaptų su rudųjų nykštukių ir planetų perskyros riba.
Pastaraisiais metais atrasta keletas objektų, kurių savybės patvirtina aukščiau aprašytą mechanizmą. Štai pernai liepą paskelbta apie aštuonių laisvai skrajojančių planetinės masės objektų (paprasčiau sakant, planetų-vienišių) stebėjimus, o aplink šešis jų aptikti protoplanetiniai diskai. Tokius diskus įprastai turi besiformuojančios žvaigždės ir rudosios nykštukės, bet jei planetos-vienišės formuojasi tuo pačiu būdu, tikėtina, kad diskų rasime ir prie jų. Pernai spalį pranešta apie jauną planetą-vienišę, kuri per porą mėnesių paryškėjo 6-8 kartus dėl to, kad ėmė sparčiau ryti medžiagą iš supančio disko. Vėlgi, toks elgesys būdingas besiformuojančioms, ypač mažoms, žvaigždėms.
Iš kitos pusės, planetos-vienišės gali gimti ir kaip įprastos planetos, o vienišėmis tapti vėliau. Žvaigždės gimsta spiečiuose, tad kurį laiką – pirmus kelis ar keliasdešimt milijonų metų – gyvena palyginus tankioje aplinkoje. Tai reiškia, kad palyginus netoli žvaigždės gali praskrieti kita, kurios gravitacija gali pagrobti planetą ar išmesti ją lauk iš sistemos. Taip pat planetą iš sistemos išmesti gali ir kaimyninių planetų gravitacija. Netgi manoma, kad taip galėjo nutikti ir Saulės sistemos jaunystėje. Išmetamos planetos dažniausiai turėtų būti Neptūno-Saturno masės, t.y. mažesnės už Jupiterį. Didesnes planetas išmesti sunkiau, o mažos, kaip taisyklė, turėtų formuotis arčiau žvaigždžių, iš kur jas iškrapštyti irgi sudėtinga.
Tikėtina, kad planetų-vienišių populiaciją formuoja abu procesai. Pirmasis atsakingas už didesnių, už Jupiterį masyvesnių, objektų egzistavimą, antrasis – už mažesniųjų. Kaip tik šių metų pradžioje buvo pirmą kartą tvirtai įrodytas už Saturną mažesnės planetos-vienišės egzistavimas. Tam prireikė laimingo sutapimo: jos sukeltą gravitacinio mikrolęšiavimo įvykį vienu metu pamatė ir antžeminiai teleskopai, ir kosminė Gaia observatorija, tad pasinaudoję paralakso efektu astronomai galėjo labai tiksliai nustatyti atstumą iki lęšio, o tai leido tiksliai apskaičiuoti ir jo masę.
2023 metais, netrukus po James Webb teleskopo darbo pradžios, aptikta dar viena planetų-vienišių įdomybė: dvinariai Jupiterio masės objektai. Nagrinėdami tą patį Trapecijos spiečių, mokslininkai rado net 540 planetinės masės objektų, o tarp jų – net 42 dvinarius. Jų egzistavimas kelia iššūkių abiem kilmės modeliams. Tokie maži objektai neturėtų formuotis patys savaime, tačiau išmetamos iš sistemų planetos neturėtų sukibti į poras. Kai kurie teoriniai tyrimai rodo, kad suformuoti stebimą populiaciją įmanoma tik jei Jupiterio masės objektai gali susiformuoti kaip žvaigždės, kiti – kad įmanomas ir išmetamų planetų kibimas į poras, bet kol kas vienareikšmio atsakymo neturime. Tiesa, bent keli iš šių objektų greičiausiai yra ne Trapecijos spiečiaus nariai, o daug tolimesnės žvaigždės, tačiau turbūt bent keletas dvinarių planetų-vienišių ten egzistuoja.
Dar viena vieta, kurioje turbūt rastume daugybę planetų-vienišių, yra Paukščių Tako centras (kaip ir kitų galaktikų centrai). Ten žinome egzistuojant gausybę žvaigždžių, susitelkusių į labai mažą regioną, vadinamą Branduoliniu žvaigždžių spiečiumi. Jei jos besiformuodamos ir turėjo planetų, artimi prasilenkimai su kaimynėmis tas planetas turėjo išsvaidyti į šalis. Bet pabėgimas nuo žvaigždės nelygu pabėgimui nuo centrinės juodosios skylės gravitacijos. Tad aplink juodąją skylę kartu su šimtais tūkstančių žvaigždžių turėtų skrajoti milijonai planetų. Gali būti, kad kartais kokia planeta įkrenta į juodąją skylę, o prieš pat įkrisdama sukelia milžinišką žybsnį.
Nors planetos-vienišės atrodo kaip atšiaurūs klajokliai kosmoso tamsybėse, jos gali tapti ir priebėga gyvybei. Dar 1999 metais mokslininkai apskaičiavo, kad į tarpžvaigždinę erdvę išmestų planetų atmosfera gali būti pakankamai tanki, jog jos apačioje galėtų egzistuoti skystas vanduo. Pastaraisiais metais, kai planetų-vienišių egzistavimas ir gausa tapo moksliniu faktu, tyrimai praplėsti. Apskaičiuotos galimybės planetoms gauti gyvybei reikalingos energijos, pavyzdžiui, iš aktyvių galaktikų branduolių spinduliuotės – tai būtų įmanoma centriniuose keliuose šimtuose galaktikos parsekų. Daugiau šansų gyvybingumui turi tokių planetų palydovai. Apie galimą palydovų gyvybingumą, gaunant energijos iš planetos keliamų potvynių, daug kalbama ir Saulės sistemos tyrimų kontekste (dažniausiai minimi Jupiterio Europa ir Saturno Enceladas), o dar 2013 metais apskaičiuotos tokios galimybės egzoplanetų sistemose. Energijos balansas tokiuose mėnuliuose praktiškai nepriklauso nuo žvaigždės spinduliuotės, taigi tie patys argumentai, naudojami egzoplanetų mėnulių gyvybingumo skaičiavimams, tinkami ir planetoms vienišėms. Jei kokioje nors tokioje sistemoje egzistuoja gyvybė, tarp žvaigždžių klajojanti planeta gali ją pernešti nuo vienos žvaigždės prie kitos, taip prisidėdama prie galimos panspermijos Visatoje.
Kol kas, nepaisant James Webb atneštų naujienų ir ilgamečių mikrolęšiavimo tyrimų, planetų-vienišių žinome dar nedaug. Tai turėtų pasikeisti artimiausiu metu. Veros Rubin observatorija, pradėjusi darbą pernai ir šiuo metu pradedanti pagrindinį stebėjimų projektą Legacy Survey of Space and Time, kas keletą naktų skanuos visą nakties dangų. Taip bus randama daugybė greitai kintančių spinduliuotės šaltinių, įskaitant mikrolęšiavimo įvykius. Be to, teleskopas turėtų būti pakankamai jautrus, kad galėtų aptikti palyginus netolimas rudąsias nykštukes ir planetas-vienišes tiesiogiai. Šiemet arba kitąmet į kosmosą kilsiantis NASA Roman kosminis teleskopas irgi stebės didelius dangaus plotus ir taip galės užfiksuoti mikrolęšiavimo įvykius bei planetų-vienišių spinduliuotę. Tai turėtų leisti patikimai nustatyti šių objektų masių pasiskirstymą, o tai leistų išsiaiškinti ir santykinę dviejų kilmės scenarijų svarbą. Šios programos planetų-vienišių tyrimams greičiausiai bus tokios pat reikšmingos, kaip Keplerio teleskopas egzoplanetų atradimams: praplės juos nuo pavienių objektų nagrinėjimo iki rimtų statistinių populiacijos analizių, kurios paaiškins mums, kaip šie objektai atsiranda, kokie jie yra ir kokias įdomybes slepia.
Laiqualasse