Mini-Neptun preživio je ondje gdje ne bi trebao postojati

Astronomi su svemirskim teleskopom James Webb prvi put izmjerili sastav atmosfere mini-Neptuna koji kruži unutar orbite vrućeg Jupitera. Riječ je o planetu TOI-1130b, dijelu neobičnog sustava udaljenog oko 190 svjetlosnih godina, u kojem manji planet opstaje na mjestu gdje bi ga gravitacija masivnog susjeda u pravilu trebala izbaciti.

Nova mjerenja pokazuju da atmosfera tog mini-Neptuna sadrži vodenu paru, ugljikov dioksid, sumporov dioksid i moguće tragove metana. Taj kemijski sastav upućuje na drukčiju prošlost sustava: oba planeta vjerojatno su nastala mnogo dalje od zvijezde, u hladnijem dijelu protoplanetarnog diska, a zatim se postupno preselila prema unutra.

Planet koji je preživio uz vrući Jupiter

Vrući Jupiteri obično nemaju bliske planetarne susjede. To su veliki plinoviti planeti koji oko svojih zvijezda kruže vrlo blizu, a njihova gravitacija lako poremeti orbite manjih planeta u blizini. Zato je sustav TOI-1130 od početka privukao pozornost astronoma.

U podacima NASA-inog satelita TESS 2020. godine otkrivena su dva planeta oko iste zvijezde. Jedan je vrući Jupiter, a drugi mini-Neptun, planet manji od Neptuna, s plinovitom atmosferom i vjerojatno stjenovitom unutrašnjošću.

Neobičan je njihov raspored. Mini-Neptun se nalazi bliže zvijezdi od svog masivnog susjeda i jedan obilazak završi za četiri dana. Vrući Jupiter oko iste zvijezde kruži za osam dana. Prema uobičajenim scenarijima nastanka takvih sustava, manji planet teško bi trebao preživjeti u toj unutarnjoj orbiti.

Chelsea X. Huang, koja je sudjelovala u otkriću sustava, opisala je TOI-1130 kao gotovo jedinstven slučaj. Vrući Jupiteri, objasnila je, u pravilu rasprše manje planete unutar svojih orbita. U ovom sustavu, međutim, unutarnji planet nije nestao.

Webb je izmjerio atmosferu u pravom trenutku

U novoj studiji objavljenoj u časopisu Astrophysical Journal Letters, tim koji vodi Saugata Barat s MIT-ova Kavli instituta za astrofiziku i svemirska istraživanja usmjerio se upravo na taj manji planet, TOI-1130b.

Za Webba je presudan bio trenutak kada planet prolazi ispred svoje zvijezde. Tada dio zvjezdane svjetlosti prolazi kroz plinove oko planeta, a atmosfera u toj svjetlosti ostavlja kemijski trag. Iz uzorka apsorpcije na različitim valnim duljinama može se zaključiti koje su molekule prisutne.

No u sustavu TOI-1130 taj prolazak nije bilo lako pogoditi. Mini-Neptun i vrući Jupiter nalaze se u orbitalnom odnosu u kojem jedan drugome lagano remete pravilnost gibanja. Njihovi prolazi ispred zvijezde zato se ne ponavljaju u potpuno jednakim razmacima.

Istraživači su morali skupiti ranije opservacije i izraditi model koji će dovoljno precizno odrediti kada će Webb imati najbolji pogled. Taj je izračun bio ključan, jer bi promašen termin značio izgubljeno promatranje.

Kemijski trag koji vodi iza snježne granice

Webbovi podaci otkrili su atmosferu bogatu težim molekulama. U njoj su pronađeni tragovi vodene pare, ugljikova dioksida i sumporova dioksida, uz slabiji signal koji bi mogao upućivati na metan.

To je važan trag. Da je TOI-1130b nastao vrlo blizu svoje zvijezde, ondje gdje se danas nalazi, teško bi prikupio takvu atmosferu. U toplom unutarnjem dijelu mladog planetarnog sustava voda i slični hlapljivi spojevi ne bi se mogli dugo zadržati u obliku leda, a upravo su ledeni materijali važni za nastanak atmosfere bogate takvim molekulama.

Drukčiji uvjeti vladaju dalje od zvijezde, iza takozvane snježne granice. Ondje je dovoljno hladno da se voda kondenzira u led, a prašina i ledene čestice mogu postati građevni materijal mladih planeta.

Zato autori studije zaključuju da TOI-1130b vjerojatno nije nastao u sadašnjoj orbiti. Formirao se dalje od zvijezde, u hladnijem dijelu protoplanetarnog diska, gdje je mogao prikupiti vodu i druge hlapljive spojeve. Tek se poslije, tijekom razvoja sustava, postupno približio zvijezdi.

Neobičan raspored čuva zapis o prošlosti sustava

Takva spora migracija može objasniti i zašto je sustav ostao stabilan. Ako su mini-Neptun i vrući Jupiter nastali daleko od zvijezde, a zatim se zajedno pomicali prema unutarnjim orbitama, manji planet mogao je izbjeći nasilno gravitacijsko izbacivanje.

Nagla promjena orbita vjerojatno bi razorila ovakav raspored. Postupno približavanje zvijezdi moglo je, međutim, sačuvati oba planeta i njihove atmosfere. U tom scenariju TOI-1130b danas kruži blizu zvijezde, ali u atmosferi još nosi kemijski zapis hladnijeg područja u kojem je nastao.

Mini-Neptuni su među najčešće otkrivenim planetima u Mliječnoj stazi, iako takav svijet ne postoji u Sunčevu sustavu. Zbog toga je TOI-1130b posebno vrijedan primjer. Ne pokazuje samo kako izgleda jedan udaljeni mini-Neptun, nego otkriva da se takvi planeti mogu formirati daleko od svojih zvijezda, prije nego što migracijom završe u tijesnim, vrućim orbitama.

Ivan Petričević

Ivan je novinar i autor koji piše o znanosti, svemiru i povijesti. Gostuje kao stručni sugovornik na Science Discovery i History Channelu te piše za Večernji list. Osnivač je Kozmos.hr, prvog hrvatskog portala posvećenog popularizaciji znanosti.