13 Minute
Astronomii au descoperit și au fotografiat direct o exoplanetă masivă care orbitează două sori — o versiune reală a fictivului Tatooine. Identificată în date arhivate și confirmată independent de o echipă europeană, această planetă circumbinară extinde limitele înțelegerii noastre despre formarea planetelor în medii stelare complexe și multiple.
Cercetătorii au observat pentru prima dată obiectul slab într-o serie de observații mai vechi realizate cu Gemini Planet Imager (GPI). După analize atente și comparații cu datele de la Observatorul W.M. Keck, echipa de la Northwestern University a confirmat că candidata este o planetă cu o masă de aproximativ șase ori cea a lui Jupiter, are circa 13 milioane de ani și se află la aproximativ 446 de ani-lumină de Pământ.
How a hidden planet emerged from archival data
Descoperirea seamănă cu o poveste de detectiv în astronomia observațională: nu a fost nevoie de un telescop nou, ci de o privire proaspătă asupra imaginilor existente. Jason Wang, profesor asistent de fizică și astronomie la Northwestern University și unul dintre autorii principali ai studiului, a condus o echipă care a reanalizat datele obținute cu Gemini Planet Imager — un instrument conceput pentru a reduce luminozitatea stelelor și a scoate în evidență companionii planetari slabi.
GPI folosește optică adaptivă pentru a corecta estomparea cauzată de atmosferă și un coronograf pentru a bloca strălucirea unei stele. În anii în care a funcționat la telescopul Gemini South din Chile, instrumentul a observat sute de stele apropiate în căutare de exoplanete. GPI Exoplanet Survey a generat un volum mare de imagini, multe dintre ele devenind arhive prețioase pentru reanaliză pe măsură ce metodele de procesare a imaginilor și întrebările științifice evoluează.
„Am întreprins acest mare sondaj și am călătorit în Chile de mai multe ori,” a spus Wang. „Am petrecut cea mai mare parte a perioadei doctoratului încercând să găsesc planete. În timpul funcționării instrumentului am observat peste 500 de stele și am găsit doar o planetă nouă. Ar fi fost frumos să fi găsit mai multe, dar rezultat a clarificat cât de rare pot fi detectările directe în anumite regiuni ale spațiului.”
Nathalie Jones, autoarea principală a studiului și cercetătoare CIERA la nivel de masterat, a răsfoit datele GPI înregistrate între 2016 și 2019 și a comparat detecțiile slabe cu observațiile Keck. Când a remarcat un obiect difuz care se mișca în sincron cu una dintre stele — un semn clar că era legat prin gravitație, nu un stea de fundal — echipa a început să suspecteze că este vorba despre o planetă. Această metodă de confirmare, bazată pe mișcarea comună și analiza astrometrică, este frecventă în pesquisa de exoplanete prin imagistică directă.
Imaging a planet that orbits a tight binary
Fotografierea directă a unei exoplanete este deja dificilă deoarece stelele pot eclipsa planetele cu un factor de milioane până la miliarde în luminozitate. Realizarea acestui lucru într-un sistem binar adaugă complexitate: două stele generează o strălucire combinată și câmpuri gravitaționale dinamice care complică separarea semnalului planetar. Contrastul ridicat și proximitatea unghiulară dintre planetă și sursele stelare sunt provocări cheie pentru procesarea imaginilor și pentru metodele de subtracție a profilului punct-spread (PSF).
Ceea ce face această descoperire neobișnuită este cât de aproape se află planeta în raport cu gazdele sale binare, comparativ cu alte planete circumbinare fotografiate direct. Cele două stele ale sistemului orbitează foarte strâns — completând o orbită comună la fiecare 18 zile terestre — în timp ce planeta le înconjoară pe amândouă pe o traiectorie mult mai lungă, de aproximativ 300 de ani. Aceasta poziționează planeta la o distanță suficientă pentru a fi considerată circumbinară, dar semnificativ mai aproape de cele două sori decât majoritatea planetelor imaginare direct din sisteme similare. Această proximitate relativă oferă oportunități unice de a studia interacțiunile dinamice dintre planetă și binară și de a testa limitele modelelor de migrație planetară și de stabilitate orbitală.
Planet properties: massive, young, and still warm
Planeta are o masă de aproximativ șase ori cea a lui Jupiter, încadrând-o în categoria gigantelor gazoase și, în funcție de detaliile formării, situând-o posibil la limita dintre planete foarte masive și pitici bruni. Limita de delimitare între planetă și pitic brun este adesea legată de arderea deuterului și se situează în jurul valorii de ~13 mase joviene, dar incertitudinile modelelor evolutive și ale compoziției complică această clasificare. La o vârstă estimată de aproximativ 13 milioane de ani, planeta este extrem de tânără în termeni planetari și încă reține o cantitate substanțială de căldură reziduală provenită din procesul de formare.
Această căldură reziduală face ca giganții tineri să fie mai strălucitori în infraroșu, ceea ce favorizează detectarea lor directă cu telescoape dotate cu camere sensibile în domeniul IR. Sistemul, aflat la circa 446 de ani-lumină de Pământ, nu este în vecinătatea stelară imediată, dar este suficient de apropiat pentru monitorizare detaliată cu telescoape mari și pentru spectroscopie de înaltă calitate care poate dezvălui compoziția atmosferică și structura termică.
Analiza spectrală a luminii emise de planetă — folosită de Jones și colegii pentru a o distinge de stelele de fundal prin caracteristici moleculare și indice de temperatură — sugerează temperaturi mai ridicate decât orice corp din sistemul nostru solar, dar mai scăzute decât cele întâlnite la multe dintre exoplanetele direct imaginate. Astfel de măsurători spectrale, realizate în banda infraroșie și în benzi specifice pentru absorbanți cum ar fi H2O, CH4 sau CO, ajută la estimarea compoziției atmosferice, prezenței norilor și la constrângerea masei și gravitației superficiale.
Deoarece planeta s-a format relativ recent în termeni cosmici — cu aproximativ 13 milioane de ani în urmă, o eră foarte timpurie comparativ cu vârstele planetare mature — ea încă radiază energia de formare. Acest lucru o face un subiect atractiv pentru studii privind compoziția atmosferică, structura termică și etapele timpurii ale evoluției planetare, inclusiv pentru cercetări despre acumularea de mase, pierderea atmosferică și potențialele procese de diferențiere internă.
Why this discovery matters for planet formation theories
Cea mai mare parte a exoplanetelor descoperite până în prezent orbitează stele singure. Sistemele binare și multiple prezintă provocări și căi alternative pentru formarea planetară, datorită dinamicii gravitaționale mai complexe, truncării discului protoplanetar și potențialelor perturbări dinamice pe parcursul fazei de construire a planetelor. Astfel de medii pot modifica procese precum acreția planetesimalelor, migrarea gazelor din disc și formarea nucleelor solide.
Descoperirea unei planete tinere și masive care orbitează o binară strânsă adaugă un punct de date critic. Demonstrează că giganții gazoși pot supraviețui — și posibil se pot forma — în prezența unei perechi stelare apropiate. Una dintre ipoteze este că stelele binare s-au format mai întâi și că planeta s-a format ulterior într-un disc circumbinar care înconjura ambele stele, proces compatibil cu modele de acreție pe disc. O altă posibilitate este că interacțiunile dinamice sau migrația au mutat planeta pe orbita actuală după formare; migrarea poate fi cauzată de disc sau de interacțiuni cu alte obiecte masive din sistem.
„Pentru că am detectat doar câteva zeci de planete de acest tip, nu avem încă suficiente date pentru a reconstrui complet imaginea,” a spus Wang. Monitorizarea continuă va fi esențială pentru a urmări mișcarea orbitală și pentru a constrânge modelele despre modul în care astfel de sisteme se asamblează. Observațiile astrometrice pe termen lung, combinate cu spectroscopie și modelare numerică, pot evalua scenarii de formare in situ versus migrare și pot determina masele sistemului cu o precizie mai mare.
Follow-up plans and technological context
Descoperirea subliniază valoarea științifică a seturilor de date arhivate și faptul că descoperiri semnificative pot apărea la mult timp după colectarea inițială a datelor. Pe măsură ce instrumentele, tehnicile de procesare a imaginilor și metodele de reducere a zgomotului se îmbunătățesc, este probabil ca și alte planete să fie ascunse la vedere în observațiile mai vechi.
GPI însuși este în curs de modernizare și urmează să fie mutat la telescopul Gemini North de pe Mauna Kea, din Hawaii. Optica adaptivă îmbunătățită, coronografia avansată și detectoarele mai sensibile, combinate cu intervale de timp mai lungi între observații, vor crește capacitatea astronomilor de a imagina companionii slabi în sisteme binare. De asemenea, tehnici precum imagistica diferențială în unghi (ADI), imagistica polarimetrică și metode avansate de subtracție a PSF-ului vor spori capacitatea de a extrage semnalul planetar din zgomotul stelar.
Echipa de la Northwestern plănuiește monitorizare continuă a planetei circumbinare și a stelelor gazdă. Prin urmărirea pozițiilor pe cer ale celor două stele și ale planetei pe parcursul anilor și decadelor, cercetătorii intenționează să cartografieze direct dinamica celor trei corpuri în planul cerului. Aceste măsurători vor alimenta teste ale teoriilor de formare și migrație și vor rafina estimările masei sistemului care depind de mișcarea orbitală. În plus, datele vor ajuta la detectarea eventualelor perturbații care pot indica prezența altor corpuri sau a unui disc remanent.
Scientific context: circumbinary planets and direct imaging
Planetele circumbinare — acelea care orbitează două stele — nu sunt doar ficțiune. Misiunile Kepler și TESS au găsit numeroase planete transitoare circumbinare detectând diminuări periodice ale luminii combinate a stelelor. Totuși, sondajele de tranzit sunt în mod inerent părtinitoare spre planetele a căror orbite trec prin linia noastră de vedere; imagistica directă completează metodele de tranzit și viteze radiale prin relevarea gigantelor tinere, auto-luminoase și relativ îndepărtate care altfel nu ar fi detectate.
Imagistica directă este deosebit de sensibilă la planetele tinere și masive pentru că acestea emit mai multă radiație în infraroșu datorită căldurii de formare. Instrumente precum GPI, SPHERE de pe Very Large Telescope și facilitățile viitoare (de exemplu, modul coronografic al James Webb Space Telescope, telescoapele extrem de mari de generație următoare) vor extinde recensământul acestor obiecte și vor permite sondarea în detaliu a atmosferelor lor prin spectroscopie cu rezoluție variabilă și prin observații multi-bandă.
Expert Insight
Dr. Laura Chen, o astrofiziciană care lucrează în domeniul formării exoplanetelor (neimplicată în studiu), a comentat: „Această detecție este interesantă pentru că ocupă un spațiu de parametri unde teoria a fost incertă. Binarele stelare strânse reprezintă un mediu ostil pentru formarea planetelor, totuși aici vedem un gigant masiv care supraviețuiește într-o configurație circumbinară relativ apropiată. Monitorizarea astrometrică continuă va fi esențială pentru a descâlci dacă această planetă s-a format in situ, a migrat spre interior sau a fost modelată de interacțiuni dinamice timpurii în istoria sistemului.”
„Imagistica directă a exoplanetelor este provocatoare, dar oferă o fereastră unică asupra atmosférrelor tinerilor giganți,” a adăugat dr. Chen. „Combinarea imaginilor cu spectroscopie și urmărirea orbitală pe termen lung este cea mai eficientă cale de a constrânge compoziția, masa și scenariile de formare.”
What astronomers will watch next
Jones și colegii pregătesc propuneri pentru a obține mai mult timp de telescop pentru a monitoriza atât planeta, cât și binara. Obiective cheie includ măsurarea mișcării orbitale cu suficientă precizie pentru a determina masele sistemului dinamic, obținerea unor spectre cu raport semnal-zgomot mai mare pentru a căuta molecule precum apa și metanul în atmosfera planetei și căutarea în arhive pentru alți companii, mai slabi.
Confirmarea independentă a descoperirii de către o echipă europeană de la University of Exeter, publicată în revista Astronomy and Astrophysics, întărește încrederea în rezultat și subliniază natura colaborativă și reproductibilă a astronomiei observaționale moderne. Publicațiile în reviste revizuite de colegi și reproducerea rezultatelor în mod independent sunt piloni ai metodologiei științifice în astrofizică.
În cele din urmă, această detecție este o reamintire: arhivele ascund surprize. Pe măsură ce instrumentele sunt modernizate și tehnicile analitice se maturizează, revenirea asupra datelor vechi poate genera descoperiri noi. Nathalie Jones continuă să scaneze arhiva GPI în căutarea altor obiecte trecute cu vederea — și a găsit câțiva candidați suspecti care merită studiați mai departe.
„Cerer mai mult timp de telescop, ca să putem continua să studiem această planetă,” a spus Jones. „Dorim să urmărim planeta și să monitorizăm orbita ei, precum și orbita stelelor binare, pentru a învăța mai mult despre interacțiunile dintre stelele binare și planete.”
Sursa: scitechdaily
Lasă un Comentariu