Exoplanety jsou, jaké by být neměly

Je to dvě desetiletí, co astronomové objevili první exoplanetu – oběžnici jiné hvězdy než našeho Slunce. Už ta do teorie nezapadla – na planetě 51 Pegasi b o hmotnosti poloviny Jupitera trvá „rok“ pouhé čtyři dny, protože obíhá své slunce po mnohem menší orbitě, než má náš Merkur.

Co dělá tak velká planeta tak blízko mateřské hvězdy? Astrofyzici, vycházející z všeobecně přijímaných zákonitostí vzniku hvězd a planet, zformulovaných už koncem 18. století, se rozhodli považovat 51 Pegasi b za kuriozitu.

V oblacích plynů a prachu, pomalu rotujících vesmírem, se v důsledku gravitačních sil vytvoří hustší jádro, které se po překročení určité hmotnosti a hustoty vznítí a vytvoří zárodek budoucí hvězdy. Ten spotřebuje naprostou většinu hmoty původního pracho-plynového oblaku, ze zbytku se postupně vytvoří protoplanetární disk. V něm se v důsledku elektromagnetických sil drobné částečky spojují ve větší a postupně vznikají větší planetesimály, jejich akrecí – vzájemným přitahováním a stmelováním – zárodky planet.

Záření nové hvězdy současně vytlačuje lehké plyny na okraj disku, zatímco její gravitace přitahuje prach, zejména železo a další kovy, ke středu rodící se planetární soustavy. Blízko mateřské hvězdy se tak tvoří terestrické planety s tenkou plynovou atmosférou, dál od hvězdy vznikají plynoví obři s relativně malým pevným jádrem. Úhledná a jednoduchá teorie, podle které musí vzniknout planetární systém, jako je ten náš. Jenže se ukazuje, že zdaleka neplatí vždy.

Postupem času podivných exoplanet přibývalo, zatímco těch „řádných“ astronomové nacházeli poskrovnu. Dnes je hlavně díky orbitálnímu dalekohledu Kepler známo asi dva a půl tisíce exoplanet – většinou jde o tzv. superzemě nebo horké jupitery, o hmotnosti mezi Zemí a Neptunem.

Jeden z nejimpozantnějších objevů uplynulého roku, systém sedmi terestrických planet velikosti Země těsně obíhajících chladnou a malou hvězdu Trappist 1, přičemž té nejbližší trvá jeden oběh, tedy „rok“, pouhý jeden a půl pozemského dne, neodpovídá ani nejsmělejším modifikacím původní teorie. Systém se nachází v takzvané obyvatelné zóně. [celá zpráva]

Existenci plynových obrů hned vedle mateřské hvězdy astrofyzici vysvětlují planetární „migrací“. Po zformování obřích planet může v protoplanetárním disku být stále ještě dost materiálu. Přitažlivost nové planety pozmění homogenní hustotu disku a gravitace těchto zhuštěnin posune planetu z místa jejího vzniku blíž k mateřské hvězdě.

Za důkaz planetární migrace je považován stav tzv. orbitální rezonance – takové vzájemné postavení sousedních planet, kdy jejich oběžné doby jsou v poměru malých celých čísel. Je krajně nepravděpodobné, aby se v těchto místech vytvořily náhodou, mnohem pravděpodobnější je, že v takto stabilní pozici byly „uzamčeny“ po předchozí migraci.

Rozvinutější variantou migrační teorie je tzv. velké křižování, vysvětlující například existenci malého Marsu i různorodost pásu asteroidů. Má to mít na svědomí Jupiter, který měl z místa vzniku nejprve cestovat ke středu systému až téměř na orbitu vznikající rudé planety.

Tady přitáhl množství hvězdného prachu, čímž omezil dostupnost stavebního materiálu pro Mars a narušil akreční proces dál od Slunce natolik, že zůstal jen pás asteroidů. Jupiter následoval i menší Saturn, avšak rezonance těchto planet skončila, když obr Jupiter přitáhl víc plynu; obě planety se vydaly opět k vnějšímu okraji planetárního systému.

„Ne, planety nemohly vzniknout in situ (na místě),“ souhlasí Joshua Winn z univerzity MIT v Cambridgi. Poukazuje na extrémně protažené, skloněné či obrácené dráhy mnoha exoplanet.

Podle něj je to výsledek spíš gravitační bitvy než poklidné migrace. V hustém protoplanetárním disku se údajně může blízko hvězdy zrodit několik velkých planet, kde je ale gravitační síly buď vtáhnou do hvězdy, nebo je odmrští na nejrůznější dráhy. Na zmatek může působit i gravitace další hvězdy, pokud se jedná o planetární systém poměrně častých dvojhvězd, případně hvězdokup.

„Je mnoho faktorů, které mohou do systému planet vnést zmatek,“ tvrdí Winn.

Teleskop Kepler našel superzemě u 60 procent Slunci podobných hvězd. Tyto exoplanety, tvořené skalnatým a kovovým materiálem, obíhají svá slunce blíž než Země a hvězda jich mívá několik. Soustava hvězdy Kepler-80 má takové planety hned čtyři a každá ji oběhne za nejvýše devět dní. Ke všemu nejsou ani na rezonančních drahách, takže na své pozice se nedostaly migrací, ale drží je od svého vzniku.

Na tuto soustavu je „ušitá“ teorie zrychlené akrece. Plyn v hustém protoplanetárním disku brzdí rotační pohyb kousků hmoty, což vede nejen k jejich sestupu blíž ke hvězdě, ale i ke snazšímu spojování s dalšími planetesimály. Jenže to má háček – superzemě by musela přitahovat i plyny a budovat si tak silnou atmosféru. „Jak to, že nevznikne plynový obr,“ namítá proti tomuto vysvětlení Roman Rafikov, astrofyzik Institutu pokročilých studií v Princetonu.

V disku bohatém na prach, v němž byl již plyn spotřebován nebo odtlačen na vnější okraje slunečním větrem, mohou superzemě vznikat i bez zrychlené akrece, upozorňuje Eugene Chiang z Kalifornské univerzity v Berkeley.

Má vysvětlení i pro existenci vzácného typu exoplanet: zdánlivých superzemí tvořených malým jádrem a mohutným plynovým obalem, který je „zvětšuje“ až o 20 procent. Měly by se rodit v protoplanetárním disku, bohatém na plyny, jenže v blízkosti hvězdy, kde obíhají, takové prostředí není. Chiang proto soudí, že vznikly na vnějším okraji disku, kde je málo prachu, ale ještě dost plynu, a do blízkosti hvězdy na rezonantní orbitu pak migrovaly.

Jenže to může být jinak. „Příroda je chytřejší než všechny naše teorie,“ upozorňuje Rafikov.

Současné teleskopy nejsou dost citlivé, aby mohly zkoumat exoplanety na vzdálenějších oběžných drahách. Dál od hvězd, než kolem Slunce obíhá Jupiter, už možné objekty nevidí. To ale neznamená, že tam nejsou a neovlivňují hvězdě bližší oběžnice planetární soustavy.