Kepler-51d, o lume „vată-de-zahăr” acoperită de ceața cea mai densă detectată până acum

Sursa foto: Sciencedaily

Folosind telescopul spaţial James Webb, o echipă de cercetători condusă de oamenii de la Penn State a descoperit că exoplaneta Kepler-51d este învăluită într-un strat de ceaţă atât de dens încât blochează aproape complet semnalele care ar fi trebuit să dezvăluie compoziţia sa chimică. Observaţiile au scos la iveală o atmosferă care pare să fie una dintre cele mai opace înregistrate până acum, ceea ce transformă această planetă într-un puzzle major pentru teoriile actuale despre formarea planetelor.

Un sistem planetar ca vată de zahăr

Sistemul Kepler-51 se află la aproximativ 2.615 ani-lumină în constelaţia Lebăda (Cygnus) şi găzduieşte patru planete cunoscute. Cel puţin trei dintre acestea aparţin unei categorii rare de lumi cu densitate extrem de scăzută, denumite „super-puff” — planete de dimensiunea lui Saturn, dar cu mase doar de câteva ori mai mari decât cea a Terrei. Dintre ele, Kepler-51d iese în evidenţă ca fiind atât cea mai rece, cât şi cea cu cea mai mică densitate.

Autoarea principală a studiului, Jessica Libby-Roberts, a descris cele trei planete interioare ale sistemului Kepler-51 ca având nuclee foarte mici şi atmosfere enorme, ceea ce le conferă o densitate comparabilă cu vata de zahăr. Această combinaţie — dimensiuni mari, mase mici şi atmosfere extinse — este neobişnuită şi contrazice în multe privinţe modele tradiţionale ale formării gigantelor gazoase.

De ce Kepler-51d sfidează modelele de formare a planetelor

În mod obişnuit, giganţii gazoşi se formează în regiunile exterioare ale unui disc protoplanetar, acolo unde un nucleu solid dens poate atrage şi reţine cantităţi mari de hidrogen şi heliu. Aceste nuclee conferă o forţă gravitaţională suficientă pentru a menţine atmosfere groase pe perioade lungi de timp, similar cu Jupiter şi Saturn din sistemul nostru solar.

Kepler-51d pare să nu se încadreze în acest tipar: datele sugerează că îi lipseşte un nucleu dens şi, în acelaşi timp, orbitează la o distanţă faţă de steaua gazdă comparabilă cu poziţia lui Venus faţă de Soare. Mai mult, steaua Kepler-51 este relativ activă, iar vânturile stelare ar trebui, teoretic, să îndepărteze gazele atmosferice ale planetelor aflate atât de aproape. Extinderea reală a pierderii de masă de-a lungul existenţei lui Kepler-51d rămâne, însă, necunoscută.

Cercetătorii iau în calcul posibilitatea ca planetele să se fi format iniţial mai departe de stea şi să fi migrat apoi spre interiorul sistemului. Totuşi, existenţa a trei planete „super-puff” într-un singur sistem rămâne o combinaţie de extreme pe care nu am mai întâlnit-o până acum şi care amplifică întrebările despre procesele ce au condus la formarea lor.

Ce ascunde ceaţa densă

Densitatea extrem de scăzută a acestor planete a determinat cercetătorii să suspecteze prezenţa în principal a gazelor uşoare, precum hidrogenul şi heliul, combinate cu alte elemente care ar putea semnala regiunea de formare şi evoluţie a planetelor. Identificarea acestor componente ar oferi indicii preţioase despre modul în care s-au format şi de unde provin.

Pentru Kepler-51d, fiind prea îndepărtată pentru a fi observată în imagini directe, oamenii de ştiinţă s-au bazat pe metoda de tranzit: când planeta trece în faţa discului stelei sale, o parte din lumina stelară traversează atmosfera planetei, imprimând pe aceasta semnături spectrale care pot dezvălui molecule specifice. În funcţie de prezenţa sau absenţa unor benzi de absorbţie la anumite lungimi de undă, se poate construi un fel de amprentă a compoziţiei atmosferice.

Observaţiile JWST blocate de ceaţă extremă

Observaţii anterioare realizate cu telescopul spaţial Hubble au acoperit regiunea aproape-infraroşie între aproximativ 1,1 şi 1,7 microni. Telescopul James Webb, însă, prin instrumentul său NIRSpec în modul PRISM, a extins intervalul de observaţie până la 5 microni, ceea ce ar fi trebuit în principiu să ofere o imagine mult mai clară a semnăturilor atmosferice.

Contrar aşteptărilor, spectrele obţinute cu JWST nu au furnizat semnale distincte ale componentelor atmosferice. Cercetătorii au concluzionat că stratul de ceaţă este atât de dens încât absoarbe majoritatea lungimilor de undă investigate, ascunzând astfel caracteristicile care ar fi permis identificarea substanţelor din atmosferă. Suvrath Mahadevan, coautor al studiului, a comparat această ceaţă cu atmosfera Titanului, satelitul lui Saturn, care este bogată în hidrocaburi precum metan, însă la un nivel mult mai extins: ceaţa lui Kepler-51d pare să se întindă pe aproape raza Terrei, ceea ce o plasează printre cele mai mari straturi de acest gen observate vreodată pe o planetă.

În datele analizate se remarcă un trend liniar: la lungimi de undă mai mari se observă o blocare mai accentuată a luminii. Această dependenţă de lungimea de undă este atipică pentru o planetă fără ceaţă atât de densă şi sugerează că particule sau compuşi specifici din atmosferă absorb eficient în regiunile spectrale investigate.

Ar putea inelele explica observaţiile?

O altă ipoteză examinată de echipă a fost aceea a inelelor planetare. Dacă Kepler-51d ar fi însoţită de un sistem de inele aşezat într-un anume unghi, acestea ar putea bloca lumina stelei şi ar face planeta să pară mai mare şi, implicit, mai puţin densă decât în realitate. Totuşi, această ipoteză nu se potriveşte complet cu datele: explicarea observaţiilor prin prezenţa unor inele ar necesita condiţii foarte specifice — inele cu compoziţie particulară, cu o stabilitate redusă în timp şi orientate exact la un anumit unghi.

Deoarece observaţiile arată un blocaj sporit la lungimi de undă mai mari, explicaţia cea mai simplă şi mai plauzibilă rămâne cea a unei ceaţe foarte groase. Totuşi, cercetătorii nu exclud definitiv varianta inelelor: pentru a o valida sau infirma ar fi necesare observaţii în regiuni şi mai îndepărtate ale spectrului, de exemplu cu instrumentul Mid Infrared Instrument al JWST, care ar putea detecta semnale ale materialelor care ar forma potenţiale inele sau ar oferi o imagine completă a stratului de ceaţă.

Ce urmează: alte planete super-puff

Echipa analizează în prezent şi datele JWST pentru o altă planetă din acelaşi sistem, Kepler-51b, pentru a stabili dacă atmosfera sa este la fel de cețoasă sau dacă Kepler-51d reprezintă un caz izolat. Compararea spectrelor acestor lumi „super-puff” va ajuta la clarificarea dacă fenomenul de ceaţă densă este o trăsătură comună acestor obiecte sau doar o excepţie a unui sistem ciudat.

Descoperirea acestor exoplanete neobișnuite a arătat că modelele dezvoltate pe baza sistemului nostru solar nu sunt suficiente pentru a explica diversitatea lumilor din galaxie. Observaţii suplimentare şi modele teoretice actualizate vor fi necesare pentru a înţelege modul în care astfel de planete s-au format şi au evoluat, precum şi locul nostru în ansamblul cosmic.

Echipă de cercetare şi sprijin

• Jessica E. Libby-Roberts
• Suvrath Mahadevan
• Renyu Hu
• Caleb Cañas
• Aaron Bello-Arufe
• Kazumasa Ohno
• Armen Tokadjian
• Zachory K. Berta-Thompson
• Catriona Murray
• Yayaati Chachan
• Yui Kawashima
• Kento Masuda
• Leslie Hebb
• Caroline Morley
• Guangwei Fu
• Kevin B. Stevenson
• Peter Gao

Studiul a beneficiat de sprijin financiar din partea NASA, printr-un grant pentru JWST, precum şi de susţinere din partea Penn State Center for Exoplanets and Habitable Worlds. Partea de calcul intensiv a fost realizată cu ajutorul infrastructurii avansate a Penn State Institute for Computational and Data Sciences Advanced CyberInfrastructure.

Rezultatele obţinute de această echipă au fost publicate pe 16 martie în The Astronomical Journal sub titlul „The James Webb Space Telescope NIRSpec-PRISM Transmission Spectrum of the Super-puff, Kepler-51d”; referinţa DOI a articolului este 10.3847/1538-3881/ae33c0. O prezentare a ştirii este disponibilă şi prin intermediul site-ului de popularizare ştiinţifică ScienceDaily.

Pe măsură ce astronomii continuă să extindă capacitatea de a privi în detaliu atmosferele exoplanetelor cu JWST şi alte instrumente, Kepler-51d rămâne un exemplu remarcabil al modului în care universul poate produce configuraţii extrem de neobişnuite, forţând o reevaluare a teoriilor despre formarea planetară şi punând în evidenţă limitele actualelor metode de observaţie atunci când ceaţa interzice privirii directe.