Egzoplaneta tak lekka, że unosiłaby się na wodzie, gdyby istniał wystarczająco duży ocean, w dalszym ciągu frustruje astronomów, ukrywając swoje najbliższe tajemnice za warstwą mgły grubszą niż jakakolwiek wcześniej widziana na planecie.
Mgła jest tak gęsta, że nawet wizji nie widać Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) może go przeniknąć, pozostawiając na razie nierozwiązaną zagadkę powstania tego świata o ultraniskiej gęstości i towarzyszących mu planet.
Kontynuacja artykułu poniżej
Kepler-51d jest członkiem układu czterech planet krążącego wokół młodej gwiazdy Słoneczny-tak jak gwiazda 2615 lata świetlne z dala. Zostały odkryte przez NASA Kosmiczny Teleskop Kepleraktóry obserwował planety przechodzące przez swoją gwiazdę. Na podstawie ilości światła gwiazd blokowanego podczas tranzytów astronomowie wywnioskowali rozmiary światów, a na podstawie zmian w czasie tranzytu – sposobu, w jaki grawitacja każdej planety przyciąga i popycha inne planety, zmieniając się dokładnie w momencie ich tranzytu – zmierzono ich masy. Planety 51b, cid mają 7,1, 9 i 9,7 razy więcej promień Ziemiodpowiednio, co czyni je mniej więcej tego samego rozmiaru co Saturn.
Jednak planety b, c i d mają masy odpowiednio tylko 3,7, 5,6 i 5,6 razy większe niż Ziemia. Z drugiej strony Saturn ma masę 95 razy większą niż Ziemia. Zatem te światy są podobnej wielkości do Saturna, ale znacznie (dużo) mniej masywne. (Czwarta planeta w układzie, e, została odkryta dopiero w 2024 roku, a jej masa i promień nie zostały jeszcze dokładnie zmierzone.)
Godne uwagi jest to, że gęstości planet 51b, c i d mają więcej wspólnego z watą cukrową (lub watą cukrową, jak to nazywamy w Wielkiej Brytanii!) niż z planetami, które jesteśmy bardziej zaznajomieni.
W związku z tym Kepler-51d i powiązane z nim światy o ultraniskiej gęstości są całkowicie obce planetom w naszej własnej układ słoneczny. Weźmy gazowych gigantów Jupiter lub na przykład Saturn, które mają duże, gęste i dobrze zdefiniowane jądra, które same w sobie są dziesięć razy masywniejsze od Ziemi. Jądra te powstały najpierw, a następnie ich przyciąganie grawitacyjne przyciągnęło masy gazu z dysku planetotwórczego, który otaczał Słońce 4,5 miliarda lat temu.
Dla kontrastu, światy Kepler-51 o ultraniskiej gęstości „mają maleńkie jądra i ogromne atmosfery, co nadaje im gęstość porównywalną z watą cukrową” – stwierdziła Libby-Roberts. Nie jest jasne, w jaki sposób te małe rdzenie mogły zgromadzić stosunkowo duże ilości gazu.
W poszukiwaniu odpowiedzi, gdy Libby-Roberts przebywała na Uniwersytecie Stanowym Penn, w 2020 r. kierowała zespołem mającym na celu spektroskopową obserwację układu Kepler-51 przy użyciu teleskopu Kosmiczny Teleskop Hubble’aWide-Field Camera 3. Celem było poszukiwanie oznak składu chemicznego atmosfery wokół planet, które mogłyby dostarczyć wskazówek co do tego, jak daleko od ich gwiazdy powstały te światy i w jaki sposób stały się one później tak wątłe. Biorąc pod uwagę ich niską gęstość, są niewątpliwie bogate w wodór i hel, dwa najlżejsze i najpowszechniejsze pierwiastki we wszechświecie, ale różne gazy śladowe obecne w ich atmosferze mogą nam powiedzieć więcej o ich pochodzeniu.
Jednak Hubble nie znalazł żadnych śladów chemii, co skłoniło Libby-Roberts i jej współpracowników do podejrzeń, że atmosferę planet może unosić się niczym nie wyróżniająca się mgła.
Teraz Libby-Roberts powróciła do układu Kepler-51, korzystając ze spektrometru bliskiej podczerwieni (NIROSpec) JWST, aby dokładniej zbadać atmosferę Kepler-51d w nadziei na wykrycie jej składu chemicznego.
Chcieli to osiągnąć za pomocą spektroskopii tranzytowej. Kiedy Kepler-51d przechodzi przez swoją gwiazdę, część jej światła przenika przez atmosferę planety. Wszelkie obecne cząsteczki mogą absorbować pewne długości fal światła gwiazdy, co powinno być widoczne w widmie gwiazdy jako linie absorpcyjne.
„Światło gwiazdy jest filtrowane przez atmosferę planety, zanim dotrze do naszych teleskopów” – powiedziała Libby-Roberts. „Jeśli spojrzymy na szeroki zakres długości fal i widmo, otrzymamy coś w rodzaju odcisku palca atmosfery planety, który ujawnia jej skład”.
Jednak widmo w dalszym ciągu nie wykazywało śladów składu chemicznego atmosfery 51d, co oznacza, że występująca tam mgła musi być najgęstszą, jaką kiedykolwiek napotkano na egzoplanecie, skoro nawet NIRSpec, działający na falach dłuższych niż Hubble, nie jest w stanie jej przejrzeć.
„Wygląda bardzo podobnie do mgły, którą widzimy na największym księżycu Saturna tytanktóry zawiera węglowodory podobne do metanu, ale na znacznie większą skalę” – powiedział współbadacz Suvrath Mahadevan z Penn State. „Wydaje się, że w Kepler-51d panuje ogromna ilość mgły, niemal w promieniu Ziemi”.
Obecnie nie ma modeli powstawania planet, które mogłyby wyjaśnić, w jaki sposób mogą powstawać światy o tak małej gęstości, szczególnie tak blisko swojej gwiazdy — gdyby 51b, c i d zostały przetransportowane do naszego Układu Słonecznego, wszystkie zostałyby upakowane w obszarze znajdującym się znacznie wewnątrz orbity Wenus.
„To możliwe [51d] uformowały się dalej i przesunęły do wewnątrz, ale wciąż pozostaje nam mnóstwo pytań dotyczących tego, jak powstała ta planeta — i inne planety w tym układzie” – powiedziała Libby-Roberts. „Co takiego jest w tym układzie, że stworzył te trzy naprawdę dziwaczne planety, czyli połączenie skrajności, których nie widzieliśmy nigdzie indziej?”
Możliwe, że widzimy te planety w fazie przejściowej. Układ ma pół miliarda lat, więc jest tak młody w porównaniu z naszym Układem Słonecznym liczącym 4,5 miliarda lat. Będąc młodą, gwiazda Kepler-51 jest wciąż dość aktywna, a jej wiatr gwiazdowy będzie usuwał zewnętrzne gazy z planet o bardzo niskiej gęstości. Być może gdybyśmy powrócili za miliard lat, znaczna część gazu z każdej planety zostałaby usunięta, pozostawiając po sobie małe jądro.
Niektóre odpowiedzi mogą jeszcze nadejść. Oddzielny zespół prowadzi obserwacje NIRSpec Kepler-51b, próbując znaleźć dowody na skład jego atmosfery. Mogą zamiast tego odkryć, że jest również pokryta mgłą, ale jeśli im się to uda, wskazówki, których dostarczają te obserwacje, mogą dotyczyć również 51c i d.
Następnie pomiary Keplera-51d opisano w numerze z 16 marca Dziennik astronomiczny.
