Źródło zdjęcia: NWU
Osobliwe orbity trzech planet krążących wokół odległej gwiazdy można wyjaśnić tylko wtedy, gdy niewidzialna czwarta planeta przeleciała przez nie i wybiła je z ich okrągłych orbit, zgodnie z najnowszymi badaniami naukowców z University of California, Berkeley i Northwestern University.
Wniosek oparty jest na komputerowych ekstrapolacjach z 13 lat obserwacji ruchów planet wokół gwiazdy Upsilon Andromedae. Sugeruje to, że nieokrągłe i często wysoce eliptyczne orbity wielu odkrytych do tej pory planet pozasłonecznych mogą być wynikiem wzajemnego rozproszenia się planet. W takim scenariuszu zaburzająca planeta może zostać całkowicie wyrzucona z układu lub zostać wyrzucona na daleką orbitę, pozostawiając wewnętrzne planety z ekscentrycznymi orbitami.
„Jest to prawdopodobnie jeden z dwóch lub trzech układów pozasłonecznych, które mają najlepsze obserwacje i najostrzejsze ograniczenia, i opowiada wyjątkową historię” - powiedział Eric Ford, doktor habilitowany Millera na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley. „Wyjaśniamy, że pierwotna orbita zewnętrznej planety była okrągła, ale dostała tego nagłego kopnięcia, które na stałe zmieniło jej orbitę na wysoce ekscentryczną. Aby zapewnić ten kopniak, postawiliśmy hipotezę, że istniała dodatkowa planeta, której teraz nie widzimy. Uważamy, że teraz rozumiemy, jak działa ten system. ”
Naukowcy zauważyli, że gdyby taka planeta karambolizowała nasz Układ Słoneczny na początku swojej historii, planety wewnętrzne mogłyby nie mieć tak ładnie okrągłych orbit i, w oparciu o obecne założenia dotyczące początków życia, klimat Ziemi mógłby ulec zbyt dużym wahaniom aby powstało życie.
„Podczas gdy planety w naszym Układzie Słonecznym pozostają stabilne przez miliardy lat, nie było tak w przypadku planet krążących wokół Upsilon Andromedae”, powiedział Ford. „Chociaż planety te mogły uformować się podobnie jak Jowisz i Saturn, ich obecne orbity zostały wyrzeźbione przez późną fazę chaotycznych i gwałtownych interakcji.”
Według kolegi Forda, Frederica A. Rasio, profesora fizyki i astronomii w Northwestern: „Nasze wyniki pokazują, że prosty mechanizm, często nazywany„ rozpraszaniem planet-planet ”- rodzaj efektu procy spowodowanego nagłym przyciąganiem grawitacyjnym między dwoma planety, gdy zbliżają się bardzo blisko siebie - muszą być odpowiedzialne za wysoce ekscentryczne orbity obserwowane w układzie Upsilon Andromedae. Uważamy, że rozproszenie planet-planet występowało często w pozasłonecznych układach planetarnych, nie tylko w tym, co wynika z silnej niestabilności. Tak więc, chociaż systemy planetarne wokół innych gwiazd mogą być powszechne, rodzaje systemów, które mogłyby podtrzymywać życie, które, podobnie jak nasz układ słoneczny, prawdopodobnie muszą pozostać stabilne w bardzo długich skalach czasu, mogą nie być tak powszechne.
Symulacje komputerowe zostały opublikowane w czasopiśmie Nature z 14 kwietnia przez Forda, Rasio i Verene Lystad, studenta fizyki z Northwestern. Ford był studentem Rasio w Massachusetts Institute of Technology, po czym podjął studia podyplomowe na Uniwersytecie Princeton i przybył na UC Berkeley w 2004 roku.
Układ planetarny wokół Upsilon Andromedae jest jednym z najlepiej zbadanych spośród 160-niektórych układów z planetami odkrytymi dotąd poza naszym Układem Słonecznym. Wewnętrzna planeta, „gorący Jowisz” tak blisko gwiazdy, że jej orbita trwa zaledwie kilka dni, została odkryta w 1996 r. Przez Geoffa Marcy'ego z UC Berkeley i jego zespołu do poszukiwania planet. Dwie planety zewnętrzne z wydłużonymi orbitami, które mocno się zakłócają, zostały odkryte w 1999 roku. Te trzy ogromne, podobne do Jowisza planety wokół Upsilon Andromedae składały się z pierwszego pozasłonecznego układu wieloplanetarnego odkrytego przez spektroskopię Dopplera.
Z powodu niezwykłej natury orbit planet wokół Upsilon Andromedae, Marcy i jego zespół intensywnie ją zbadali, dokonując prawie 500 obserwacji - 10 razy więcej niż w przypadku większości innych odkrytych planet pozasłonecznych. Te obserwacje, wahania ruchu gwiazdy indukowane przez krążące wokół planet, pozwalają na bardzo dokładne odwzorowanie ruchów planet wokół gwiazdy.
„Obserwacje są tak precyzyjne, że możemy obserwować i przewidywać, co stanie się za dziesiątki tysięcy lat w przyszłości”, powiedział Ford.
Dziś, gdy najbardziej wewnętrzna planeta styka się blisko gwiazdy, dwie planety zewnętrzne krążą wokół orbit w kształcie jajka. Symulacje komputerowe przeszłych i przyszłych zmian orbitalnych pokazały jednak, że planety zewnętrzne uczestniczą w powtarzalnym tańcu, który raz na 7 000 lat przybliża orbitę środkowej planety do koła.
„Ta właściwość powrotu na bardzo okrągłą orbitę jest dość niezwykła i na ogół nie ma miejsca” - powiedział Ford. „Naturalnym wyjaśnieniem jest to, że kiedyś obaj byli na okrągłych orbitach, a jeden dostał wielkiego kopnięcia, które spowodowało, że stał się ekscentryczny. Następnie późniejsza ewolucja spowodowała wzrost mimośrodowości drugiej planety, ale z powodu zachowania energii i momentu pędu okresowo wraca na bardzo prawie okrągłą orbitę. ”
Wcześniej astronomowie proponowali dwa możliwe scenariusze powstawania układu planet Upsilon Andromedae, ale dane obserwacyjne nie były jeszcze wystarczające do rozróżnienia dwóch modeli. Inny astronom, Renu Malhotra z University of Arizona, wcześniej zasugerował, że rozproszenie planet-planet mogło wzbudzić ekscentryczność w Upsilon Andromedae. Ale alternatywne wyjaśnienie twierdziło, że interakcje między planetami i dyskiem gazowym otaczającym gwiazdę mogły również wytworzyć takie mimośrodowe orbity. Łącząc dodatkowe dane obserwacyjne z nowymi modelami komputerowymi, Ford i jego koledzy byli w stanie wykazać, że interakcje z dyskiem gazowym nie wytworzyłyby obserwowanych orbit, ale interakcje z inną planetą naturalnie je wytworzyłyby.
„Kluczową cechą odróżniającą te teorie było to, że interakcje z dyskiem zewnętrznym powodują, że orbity zmieniają się bardzo wolno, a silne oddziaływanie z przelatującą planetą powoduje, że orbity zmieniają się bardzo szybko w porównaniu z 7000-letnią skalą czasową dla krąży wokół ewolucji - powiedział Ford. „Ponieważ obie hipotezy przewidują różne ewolucje systemu, możemy ograniczyć historię systemu w oparciu o bieżące orbity planet.”
Ford powiedział, że gdy planety uformują się w dysku gazu i pyłu, opór planet utrzyma ich orbity w okręgu. Jednak po rozproszeniu pyłu i gazu jedynie interakcja z przelatującą planetą mogła stworzyć konkretne orbity dwóch obserwowanych obecnie planet zewnętrznych. Być może zauważył, że zaburzająca planeta została uderzona w planety wewnętrzne w wyniku interakcji z innymi planetami daleko od gwiazdy centralnej.
Jakkolwiek się zaczęło, wynikające z tego chaotyczne interakcje stworzyłyby bardzo ekscentryczną orbitę dla trzeciej planety, która następnie stopniowo zakłóciłaby orbitę drugiej planety. Ponieważ planeta zewnętrzna dominuje w układzie, z czasem zakłóciła orbitę środkowej planety na tyle, aby powoli odkształcać ją również na mimośrodową orbitę, co widać dzisiaj, chociaż co około 7 000 lat planeta środkowa powraca stopniowo na okrąg orbita.
„To właśnie sprawia, że system jest tak osobliwy”, powiedział Rasio. „Zazwyczaj sprzężenie grawitacyjne między dwoma orbitami eliptycznymi nigdy nie sprawiłoby, że ktoś powróciłby do prawie idealnego koła. Krąg jest wyjątkowy. ”
„Pierwotnie głównym celem naszych badań była symulacja układu planetarnego Upsilon Andromedae, zasadniczo w celu ustalenia, czy dwie zewnętrzne planety leżą na tej samej płaszczyźnie, co planety Układu Słonecznego” - powiedział Lystad, który rozpoczął współpracę z Rasio gdy była studentką drugiego roku i przeprowadziła wiele integracji komputerowych w ramach swojej pracy magisterskiej. „Zaskoczyło nas stwierdzenie, że w przypadku wielu naszych symulacji trudno było stwierdzić, czy planety znajdowały się w tej samej płaszczyźnie, ponieważ orbita środkowej planety okresowo stała się tak bardzo okrągła. Kiedy zauważyliśmy, że to dziwne zachowanie było obecne we wszystkich naszych symulacjach, rozpoznaliśmy je jako oznakę systemu, który przeszedł rozproszenie planeta-planeta. Zrozumieliśmy, że dzieje się coś ciekawszego niż ktokolwiek wcześniej.
Zrozumienie tego, co wydarzyło się podczas powstawania i ewolucji Upsilon Andromedae i innych pozasłonecznych układów planetarnych, ma poważne implikacje dla naszego własnego układu słonecznego.
„Kiedy zdasz sobie sprawę, że większość znanych planet pozasłonecznych ma wysoce ekscentryczne orbity (jak planety w Upsilon Andromedae), zaczynasz się zastanawiać, czy może być coś specjalnego w naszym Układzie Słonecznym” - powiedział Ford. „Czy gwałtowne rozproszenie planet-planet może być tak powszechne, że niewiele układów planetarnych pozostaje spokojnych i nadaje się do zamieszkania? Na szczęście astronomowie - kierowani przez Geoffa Marcy'ego, profesora astronomii na Uniwersytecie Berkeley - pilnie dokonują obserwacji, które ostatecznie odpowiedzą na to ekscytujące pytanie. ”
Badania były wspierane przez National Science Foundation i Miller Institute for Basic Research UC Berkeley.
Oryginalne źródło: Berkeley News Release
