Bylo objeveno a potvrzeno více než 6 000 exoplanet (světů mimo sluneční soustavu) a atmosféry přibližně 150 z nich byly prozkoumány. Žádná z nich však nebyla tak vzácná jako ta, kterou právě pozoroval vesmírný dalekohled Jamese Webba (JWST). Má tvar citronu a její atmosféra se nepodobá žádné jiné, a to natolik, že NASA nedokáže vysvětlit, jak taková planeta vznikla. Studie byla publikována v časopise The Astrophysical Journal Letters.
Tento nový svět byl označen jako PSR J2322-2650b, obíhá kolem pulzaru (rychle rotující neutronové hvězdy) a má hmotnost zhruba podobnou hmotnosti Jupiteru, ačkoli jeho hustota a složení jsou radikálně odlišné. Systém spadá do kategorie „pulsarů černých vdov“, což je typ dvojhvězdy, v níž pulsar eroduje a „požírá“ svého menšího, málo hmotného průvodce prostřednictvím intenzivního záření a částicového větru, které vysílá.
V posledních letech bylo objeveno několik takových systémů, ale téměř vždy je průvodcem velmi lehký trpaslík, něco mezi umírající hvězdou a hmotnou planetou. V tomto případě se však zdá, že se objekt stabilizoval do podoby exotické planety bohaté na uhlík, která nezapadá do žádné známé kategorie.
Co je pulsar černá vdova a proč je tak extrémní
Abychom pochopili podivnost PSR J2322-2650b, stojí za to se na chvíli zastavit u jeho hostitelské hvězdy. Pulsar je zhroucené jádro masivní hvězdy, která explodovala jako supernova. Jedná se o neutronovou hvězdu: objekt o průměru pouhých 20 kilometrů, ale s hmotností srovnatelnou s hmotností Slunce, tak hustou, že čajová lžička její hmoty by vážila stovky milionů tun.
Zdroj: Youtube.com
Při rychlé rotaci – v tomto případě desítky či stovkykrát za sekundu – pulsar vysílá ze svých magnetických pólů svazky elektromagnetického záření (rádiové, rentgenové a gama). Pokud tyto paprsky procházejí kolem Země, detekujeme je jako pravidelné pulsy, odtud název pulsar. V systémech „černých vdov“ je pulsar tak blízko svému souputníkovi, že jej postupně vypařuje, zbavuje jej plynu a hmoty svým zářením a větrem vysokoenergetických částic.
V mnoha případech se předpokládá, že původním průvodcem byla lehká hvězda, která po milionech let bombardování ztratila téměř celou svou obálku a zredukovala se na velmi kompaktní jádro. PSR J2322-2650b by tomuto obecnému scénáři odpovídal, ale s nečekaným zvratem: zdá se, že v jeho atmosféře převažuje helium a molekulární uhlík, bez zřetelných stop po „typických“ složkách planety.
Proč má PSR J2322-2650b tvar citronu
Extrémní poměr a těsná blízkost planety a pulzaru jsou příčinou elipsoidního tvaru exoplanety. Gravitační síly mnohem hmotnějšího pulzaru ji zdeformovaly do tohoto zvláštního tvaru citronu nebo fotbalového míče. Tento typ deformace je známý jako „slapový tvar“: gravitace centrálního objektu roztahuje průvodce podél spojnice, která je spojuje.
Z astronomického hlediska je vzdálenost mezi nimi nepatrná. PSR J2322-2650b je od své hvězdy vzdálen asi 1,6 milionu kilometrů, zatímco Země obíhá asi 150 milionů kilometrů od Slunce. Jinými slovy, tato planeta je ke svému pulsaru asi stokrát blíže než Země ke Slunci. V této vzdálenosti gravitace pulzaru planetu nejen deformuje, ale pravděpodobně ji udržuje „tidálně připoutanou“, tedy stále stejnou tváří ke hvězdě, jako je tomu u Měsíce a Země.
Toto ukotvení také vysvětluje obrovský teplotní kontrast mezi denní a noční stranou: polokoule přivrácená k pulzaru je neustále bombardována vysokoenergetickým zářením, zatímco opačná strana zůstává ve věčné noci, jen mírně ohřívaná cirkulací plynů v atmosféře.
Bylo to naprosté překvapení. Vzpomínám si, že po stažení dat byla naše společná reakce: „Co to sakra je?“. Je to extrémně odlišné od toho, co jsme očekávali,“ říká spoluautor studie Peter Gao z Carnegie Earth and Planetary Laboratory ve Washingtonu ve zprávě NASA.
Pulsar umožňuje Webbovu teleskopu detailní pozorování
Paradoxně právě skutečnost, že planeta obíhá kolem pulsaru – extrémního a násilného objektu – je příznivá pro její studium. „Tento systém je unikátní, protože můžeme pozorovat planetu osvětlenou její hostitelskou hvězdou, ale hostitelskou hvězdu nevidíme vůbec. Získáváme tak opravdu čisté spektrum. A můžeme tento systém studovat podrobněji než běžné exoplanety,“ vysvětluje Maya Beleznay, studentka třetího ročníku doktorského studia na Stanfordově univerzitě (Kalifornie), která pracovala na modelování tvaru planety a geometrie její dráhy.
Neutronová hvězda vysílá každých několik milisekund nebo sekund svazky elektromagnetického záření obsahující gama paprsky a další vysoce energetické částice, které jsou však pro Webbův infračervený zrak neviditelné. JWST pozoruje především v blízké a střední infračervené oblasti, tedy ve vlnových délkách, kam pulsar nepřispívá téměř žádným souvislým světlem. To teleskopu umožňuje vidět v praxi především tepelnou záři samotné planety, bez obvyklého oslnění normální hvězdy.
U většiny dosud studovaných exoplanet astronomové analyzují světlo hvězdy, když planeta přechází před ní (tranzit) nebo za ní (sekundární zatmění). V tomto případě však byl tým schopen sledovat jas planety po celou dobu její oběžné dráhy a sestavit takzvanou „fázovou křivku“: jak se mění světlo, které přijímáme, v závislosti na tom, kterou stranou je k nám planeta přivrácena.
Díky této fázové křivce a spektrům získaným pomocí přístrojů NIRSpec a MIRI Jamese Webba byli vědci schopni odhadnout teplotu na denní a noční straně, odvodit cirkulaci atmosféry a především identifikovat molekuly přítomné v atmosféře.
Neutronová hvězda, ačkoli je velmi silným zdrojem rentgenového a gama záření, vyzařuje jen velmi málo v infračervené oblasti, takže „neznečistí“ spektrum, které Webb u planety zaznamenává. Díky tomu je PSR J2322-2650b výjimečnou přírodní laboratoří pro studium atmosfér v extrémních podmínkách, aniž by vedle ní působil obvyklý šum v podobě jasné hvězdy.
První exoplaneta s atmosférou obsahující molekulární uhlík
Vědce z NASA nejvíce zaujala její atmosféra, v níž převládá helium a uhlík a která se nepodobá ničemu, co bylo dosud pozorováno. Modely naznačují, že ve vzduchu by se mohla vznášet oblaka sazí – drobných částic pevného uhlíku – a také struktury uhlíku, které mohou za vhodných tlakových a teplotních podmínek kondenzovat a vytvářet mikroskopické diamanty.
Jedná se o nový druh planetární atmosféry, který dosud nikdo neviděl. „Místo běžných molekul, které bychom na exoplanetě očekávali, jako je voda, metan a oxid uhličitý, jsme viděli molekulární uhlík, konkrétně C3 a C2,“ vysvětluje Michael Zhang z Chicagské univerzity, hlavní řešitel této studie.
Pro laiky: když astronomové mluví o C2 a C3, mají na mysli molekuly tvořené dvěma nebo třemi atomy uhlíku vázanými dohromady. Tyto molekuly zanechávají velmi charakteristické stopy ve světelném spektru, zejména v infračervené oblasti, které dokáže James Webb detekovat s velkou přesností. Překvapivé je, že při teplotách naměřených na planetě se uhlík často spojuje s jinými prvky (například kyslíkem nebo vodíkem) a vytváří stabilnější molekuly, jako je oxid uhelnatý (CO) nebo metan (CH₄).
Vědci zdůrazňují, že nález molekulárního uhlíku je velmi neobvyklý, protože při teplotách PSR J2322-2650b (přibližně 2 038 °C na denní straně a 649 °C na noční straně) by se uhlík měl vázat na jiné typy atomů, pokud by byly k dispozici. Ve skutečnosti je to poprvé, kdy byl detekovatelný molekulární uhlík nalezen mezi všemi exoplanetami, které byly dosud studovány pomocí detailních spekter.
Kromě toho se zdá, že atmosféra obsahuje málo vodíku, nejrozšířenějšího prvku ve vesmíru a hlavní složky většiny plynných obrů, jako jsou Jupiter a Saturn. Tento nedostatek vodíku posiluje myšlenku, že se nejedná o „normální“ planetu vzniklou v disku plynu a prachu, ale o holé, zpracované pozůstatky hvězdy nebo hvězdného objektu, který byl obnažen pulzarem.
Diamantový svět: Sci-fi, nebo realita?
Kombinace atmosféry bohaté na uhlík, velmi vysokých vnitřních tlaků a extrémních teplot vedla vědce k domněnce téměř sci-fi scénáře: planeta částečně složená z diamantu. Tato myšlenka není úplně nová; již léta se spekuluje o existenci „uhlíkových planet“ nebo „diamantových planet“ kolem hvězd s neobvyklým chemickým složením.
V případě PSR J2322-2650b tým předpokládá, že pokud v nitru objektu převažuje uhlík a kyslík – podobně jako v jádru bílého trpaslíka – postupné ochlazování by mohlo způsobit krystalizaci části uhlíku. Při gigantických tlacích nabývá krystalický uhlík struktury diamantu. Pokud konvektivní nebo směšovací procesy vyženou tyto krystaly nahoru do mělčích vrstev, mohly by nakonec vytvořit jakýsi „plášť“ bohatý na diamant pod atmosférou helia a uhlíku.
Zdroj: Youtube.com
Tato myšlenka připomíná jiné exotické systémy, například slavnou exoplanetu PSR J1719-1438 b, objevenou v roce 2011, která rovněž obíhá kolem pulzaru a byla navržena jako kandidát na „diamantovou planetu“ kvůli své velmi vysoké hustotě a pravděpodobnému původu jako jádro uhlíko-kyslíkového bílého trpaslíka. PSR J2322-2650b by se tak připojil k malé, ale fascinující skupině světů, kde dominuje uhlík.
NASA neví, jak mohl vzniknout
Velkou záhadou je původ tohoto objektu. Vznikl jako běžná planeta? Ne, protože její složení je zcela odlišné. Vznikla odtržením vnějších vrstev hvězdy, jak vznikají „normální“ systémy černých vdov? Pravděpodobně ne, protože jaderná fyzika čistý uhlík nevytváří. „Je velmi obtížné si představit, jak se takové složení obohacené o uhlík získává. Zdá se, že to vylučuje všechny známé mechanismy vzniku,“ říká Zhang.
Ve standardních modelech vzniká systém černé vdovy, když rychle rotující neutronová hvězda ukradne hmotu svému průvodci, obvykle lehké hvězdě. V průběhu času ztratí průvodce téměř celou svou vodíkovou a héliovou obálku a zůstane husté jádro z uhlíku a kyslíku. Takové jádro může připomínat ultralehkého bílého trpaslíka. Nicméně i v takovém případě se očekává, že zůstanou směsi dalších prvků (kyslík, dusík, stopy těžkých kovů), nikoliv atmosféra, v níž by tak jasně převládal molekulární uhlík a helium.
Tým si láme hlavu nad charakteristikami PSR J2322-2650b. Další spoluautor studie, Roger Romani ze Stanfordovy univerzity a Kavliho institutu pro částicovou astrofyziku a kosmologii, naznačuje, co by se v takové atmosféře mohlo dít: „Jak se průvodce ochlazuje, směs uhlíku a kyslíku uvnitř začíná krystalizovat. Krystaly čistého uhlíku se vznášejí na povrchu a mísí se s héliem, a to je to, co vidíme. Pak se ale musí stát něco, co udrží kyslík a dusík stranou. A právě v tom je ta záhada. Ale je hezké nevědět všechno. Těším se, až se dozvím víc o tom, jak je tahle atmosféra zvláštní. Je skvělé mít hádanku, kterou se můžeme honit.
Co nám tato planeta říká o hranicích vzniku planet
PSR J2322-2650b není jen podivnou zvláštností: nutí astronomy přehodnotit, čemu říkáme „planeta “ a kam až sahají známé mechanismy vzniku. Tradičně se za planetu považuje těleso, které:
- obíhá kolem hvězdy nebo hvězdného pozůstatku,
- není dostatečně hmotné na to, aby v sobě iniciovalo jadernou fúzi (tj. není hvězdou),
- je zbaveno jiných srovnatelných těles na své oběžné dráze.
PSR J2322-2650b tyto podmínky splňuje, ale jeho pravděpodobný původ jako pozůstatku erodované hvězdy ho řadí do šedé zóny mezi planetu, hnědého trpaslíka a hvězdné jádro. Podobně je tomu i u dalších extrémních objektů, jako jsou „kanibalské planety „, které mohou být holými jádry plynných obrů, jež jejich hvězda zbavila obalu.
Tento objev navíc rozšiřuje katalog možných atmosfér. Doposud většina studovaných exoplanet vykazovala atmosféry, v nichž převažoval vodík a helium se stopami vody, metanu, oxidu uhličitého nebo oxidu uhelnatého. PSR J2322-2650b ukazuje, že v extrémních prostředích mohou existovat atmosféry s převahou molekulárního uhlíku, což dosud nebylo jednoznačně pozorováno.
Pro vědeckou komunitu jsou taková zjištění cenná, protože testují modely atmosférické chemie a hvězdného vývoje. Pokud modely nedokážou reprodukovat pozorované skutečnosti, je třeba je revidovat, doplnit o nové procesy nebo si uvědomit, že nám chybí fyzikální poznatky, například jak se v těchto objektech oddělují prvky nebo jak magnetické pole pulzaru působí na atmosféru jeho průvodce.
Úloha Webbova dalekohledu a co bude dál
Vesmírný dalekohled Jamese Webba byl navržen mimo jiné ke studiu atmosfér exoplanet v detailech, které byly pro jeho předchůdce nemožné. Přístroje jako NIRSpec (spektrograf pro blízkou infračervenou oblast) a MIRI (přístroj pro střední infračervenou oblast) umožňují rozložit světlo na tisíce vlnových délek a odhalit velmi jemné chemické stopy.
V případě PSR J2322-2650b Webb ukázal, že dokáže jít za hranice „typických“ horkých Jupiterů a superzemí, a to na území průvodců pulsarů, což je oblast, které dosud dominovala rádiová a rentgenová pozorování. Kombinace rádiových dat (která odhalují rotaci a prostředí pulzaru) s infračervenými spektry JWST otevírá nové okno pro studium chování hmoty v extrémních podmínkách.
Dalším krokem bude pozorování tohoto systému při více příležitostech a s různými konfiguracemi dalekohledu, aby se ověřilo, zda se signály C2 a C3 zachovávají, zda existují časové změny v atmosféře a zda lze detekovat další slabší chemické složky. Budou rovněž hledány další systémy černých vdov vhodné pro pozorování Webbem s cílem zjistit, zda je PSR J2322-2650b ojedinělým případem, nebo prvním zástupcem nové třídy objektů.
Pokud bude nalezeno více světů s atmosférami, v nichž převažuje molekulární uhlík, budou astronomové schopni začít mapovat „rodinu“ uhlíkových planet a lépe porozumět jejich vzniku a vývoji. Na druhou stranu, pokud se ukáže, že tato planeta je neopakovatelnou raritou, její studium zůstane stejně cenné jako limitní případ toho, kam až může fyzika a chemie ve vesmíru zajít.
Připomínka toho, jak málo toho víme
Během pouhých tří desetiletí jsme se od znalosti žádných exoplanet dostali ke katalogu tisíců planet nejrůznějšího druhu: horkých Jupiterů přilepených ke svým hvězdám, skalnatých super-Zemí, minineptunů, planet obíhajících kolem dvou sluncí a dokonce i kandidátů na planety v obyvatelných zónách, kde by mohla existovat kapalná voda. Každý nový objev přidává další kousek do skládačky, ale také otevírá nové otázky.
Zdroj: Youtube.com
PSR J2322-2650b připomíná, že vesmír stále dokáže překvapit i odborníky. Planeta ve tvaru citronu, tvořená převážně uhlíkem, obíhající v nepatrné vzdálenosti od pulzaru, který ji pomalu pohlcuje, a s atmosférou, která neodpovídá žádnému standardnímu modelu, je přesně tím typem objektu, který nutí vědu jít kupředu.
Jak říká Romani, „je hezké nevědět všechno„. V astronomii se pokaždé, když se objeví svět, který by podle učebnic neměl existovat, tyto učebnice přepisují. A zdá se, že James Webb se svým infračerveným pohledem nám k tomu poskytne ještě mnoho důvodů.
Techzpravy.cz
KINOTIP2.cz|
FAJNTIP.cz|
Zprávy | Aktuálně.cz|
Žena.cz|
SvětFormule.cz|
