Hot Jupiters predstavljaju neke od najekstremnijih planeta u našoj galaksiji. Ovi užareni svjetovi su masivni poput Jupitera, a kreću se vrlo blizu svojih zvijezda, obavljajući orbitu u nekoliko dana, za razliku od našeg Jupitera koji zaokruži Sunce za oko 4.000 dana.

Znanstvenici sumnjaju da Hot Jupiters nisu uvijek bili tako vrući i da su možda nastali kao “hladni Jupiters” u hladnijim, udaljenijim dijelovima svemira. No, kako su evoluirali u vruće gigante koje danas opažamo, ostaje veliko pitanje.

Astronomi s MIT-a, Penn State University-a i drugih institucija otkrili su “progenitora” Hot Jupitera — mladu planetu koja je u procesu postajanja Hot Jupiterom. Njegova orbita pruža odgovore na pitanja o evoluciji ovih planeta.

Nova planeta, označena kao TIC 241249530 b, orbitira zvijezdu udaljenu oko 1.100 svjetlosnih godina od Zemlje. Planeta ima izrazito "ekscentričnu" orbitu, što znači da dolazi vrlo blizu zvijezdi prije nego što se udalji, tvoreći uski, eliptični krug. Ako bi bila dio našeg solarnog sustava, došla bi 10 puta bliže Suncu od Merkura, prije nego što bi se vratila tik iza Zemlje i ponovo zaokružila. Znanstvenici procjenjuju da ova planeta ima najekscentričniju orbitu ikada otkrivenu.

Orbitiranje ove planete je također jedinstveno zbog svoje "retrogradne" orijentacije. Za razliku od Zemlje i drugih planeta našeg sustava, koje orbitiraju u istom smjeru kao što se Sunce okreće, ova planeta putuje u suprotnom smjeru od rotacije svoje zvijezde.

Tim je proveo simulacije orbitalne dinamike i otkrio da su visoko ekscentrična i retrogradna orbita znaci da planeta vjerojatno evoluira u Hot Jupiter, kroz proces "migracije visoke ekscentričnosti" — proces u kojem se orbita planete njiše i postupno smanjuje dok interagira s drugom zvijezdom ili planetom na puno široj orbiti.

U slučaju TIC 241249530 b, istraživači su utvrdili da planeta orbitira oko primarne zvijezde koja sama orbitira oko sekundarne zvijezde, kao dio binarnog sustava. Interakcije između dvije orbite — planete i njezine zvijezde — uzrokovale su da se planeta postupno približi svojoj zvijezdi s vremenom.

Trenutno je orbita planete eliptičnog oblika, a planetu treba oko 167 dana da zaokruži zvijezdu. Istraživači predviđaju da će za milijardu godina planeta preći u mnogo užu, kružnu orbitu, kada će zaokružiti zvijezdu svakih nekoliko dana. Tada će planeta potpuno evoluirati u Hot Jupiter.

“Ova nova planeta podržava teoriju da bi migracija visoke ekscentričnosti trebala objasniti dio Hot Jupiters,” kaže Sarah Millholland, docentica fizike u MIT-ovom Kavli institutu za astrofiziku i svemirska istraživanja. “Mislimo da je, kada je ova planeta nastala, bila hladan svijet. I zbog dramatične orbitalne dinamike, postat će Hot Jupiter za otprilike milijardu godina, s temperaturama od nekoliko tisuća kelvina. Dakle, to je ogroman pomak od mjesta gdje je započela.”

Millholland i njezini kolege objavili su svoja otkrića danas u časopisu Nature. Njezini koautori su Haedam Im, student MIT-a, vodeći autor Arvind Gupta s Penn State University-a i NSF NOIRLab-a, te suradnici s više sveučilišta, institucija i opservatorija.

Radikalne sezone
Nova planeta prvi je put uočena u podacima koje je prikupio NASA-in satelit za istraživanje tranzitnih egzoplaneta (TESS), misija koju vodi MIT, koja nadzire svjetlinu obližnjih zvijezda tražeći "tranzite", odnosno kratke padove u svjetlosti zvijezde koji mogu signalizirati prisutnost planete koja prolazi ispred zvijezde i privremeno blokira njezinu svjetlost.

Dana 12. siječnja 2020. godine, TESS je zabilježio mogući tranzit zvijezde TIC 241249530. Gupta i njegovi kolege s Penn Statea utvrdili su da je tranzit bio konzistentan s planetom veličine Jupitera koja prelazi ispred zvijezde. Zatim su dobili mjerenja radijalne brzine zvijezde iz drugih opservatorija, što procjenjuje titranje zvijezde, odnosno stupanj do kojeg se kreće naprijed-nazad, kao odgovor na druge obližnje objekte koji bi mogli gravitacijski utjecati na zvijezdu.

Ta mjerenja su potvrdila da planeta veličine Jupitera orbitira zvijezdu i da je njezina orbita vrlo ekscentrična, dovodeći planetu vrlo blizu zvijezde prije nego što je baca daleko.

Prije ovog otkrića, astronomi su znali za samo još jednu planetu, HD 80606 b, za koju se mislilo da je rani Hot Jupiter. Ta planeta, otkrivena 2001. godine, držala je rekord za najvišu ekscentričnost sve do sada.

“Ova nova planeta doživljava zaista dramatične promjene u svjetlosti zvijezde tijekom svoje orbite,” kaže Millholland. “Mora postojati zaista radikalne sezone i apsolutno spaljena atmosfera svaki put kad prolazi blizu zvijezde.”

Ples orbita
Kako je planeta mogla pasti u tako ekstremnu orbitu? I kako bi njezina ekscentričnost mogla evoluirati tijekom vremena? Za odgovore, Im i Millholland proveli su simulacije orbitalne dinamike planeta kako bi modelirali kako je planeta mogla evoluirati tijekom svoje povijesti i kako bi mogla nastaviti kroz stotine milijuna godina.

Tim je modelirao gravitacijske interakcije između planete, njezine zvijezde i druge obližnje zvijezde. Gupta i njegovi kolege su promatrali da dvije zvijezde orbitiraju jedna drugu u binarnom sustavu, dok planeta istovremeno orbitira bližu zvijezdu. Konfiguracija dviju orbita je poput cirkuskog izvođača koji vrti hula hoop oko struka, dok vrti drugi hula hoop oko zapešća.

Millholland i Im proveli su više simulacija, svaku s različitim početnim uvjetima, kako bi vidjeli koji uvjet, kada se pokrene naprijed kroz nekoliko milijardi godina, proizvodi konfiguraciju orbitala planeta i zvijezda koju je Guptaov tim promatrao danas. Zatim su proveli najbolje podudaranje još dalje u budućnost kako bi predvidjeli kako će se sustav razvijati tijekom sljedećih nekoliko milijardi godina.

Te simulacije su otkrile da je nova planeta vjerojatno u procesu evoluiranja u Hot Jupiter: Prije nekoliko milijardi godina, planeta je nastala kao hladan Jupiter, daleko od svoje zvijezde, u području dovoljno hladnom da se kondenzira i formira. Novonastala, planeta je vjerojatno orbitirala zvijezdu kružnom putanjom. Ova konvencionalna orbita, međutim, postupno se rastezala i postajala ekscentrična, jer je doživljavala gravitacijske sile zbog neusklađene orbite svoje zvijezde s drugom, binarnom zvijezdom.

“To je prilično ekstreman proces u kojem su promjene orbite planete masivne,” kaže Millholland. “To je veliki ples orbita koji se odvija tijekom milijardi godina, a planeta jednostavno prati tok.”

Za milijardu godina, simulacije pokazuju da će se orbita planete stabilizirati u bliskoj, kružnoj putanji oko svoje zvijezde.

“Tada će planeta potpuno postati Hot Jupiter,” kaže Millholland.

Opservacije tima, zajedno sa simulacijama evolucije planete, podržavaju teoriju da Hot Jupiters mogu nastati kroz migraciju visoke ekscentričnosti, proces u kojem planeta postupno prelazi na mjesto putem ekstremnih promjena u svojoj orbiti tijekom vremena.

“Jasno je ne samo iz ovoga, već i iz drugih statističkih studija, da bi migracija visoke ekscentričnosti trebala objasniti dio Hot Jupiters,” napominje Millholland. “Ovaj sustav ističe koliko egzoplaneti mogu biti nevjerojatno raznoliki. To su tajanstveni drugi svjetovi koji mogu imati divlje orbite koje pričaju priču o tome kako su se tako postavili i kamo idu. Za ovu planetu, njezino putovanje još nije završeno.”

“Vrlo je teško uhvatiti ove progenitore Hot Jupitera ‘na djelu’ dok prolaze kroz svoje super ekscentrične epizode, pa je vrlo uzbudljivo pronaći sustav koji prolazi kroz ovaj proces,” kaže Smadar Naoz, profesor fizike i astronomije na Sveučilištu Kalifornija u Los Angelesu, koji nije bio uključen u studiju. “Vjerujem da ovo otkriće otvara vrata dubljem razumijevanju početne konfiguracije egzoplanetarnog sustava.”

Novo istraživanje dodatno proširuje razumijevanje kako složeni gravitacijski odnosi među zvijezdama i planetama mogu oblikovati evoluciju planetarnih sustava. To je ključ za otkrivanje tajni nastanka i transformacije nebeskih tijela, te može pružiti važne uvide u razvoj egzoplaneta koje bi mogle biti pogodne za život. U kontekstu šireg istraživanja svemira, otkrića kao što je TIC 241249530 b pomažu nam da bolje razumijemo naš vlastiti Sunčev sustav i njegovo mjesto u galaktičkoj povijesti.

Izvor: Massachusetts Institute of Technology