Brzina kojom se veliki planeti okreću oko svoje osi nije tek sporedna zanimljivost, nego mogući trag o tome kako su nastali. Upravo zato novo, dosad najopsežnije istraživanje rotacije egzoplaneta i smeđih patuljaka ima posebnu težinu: potvrdilo je dugogodišnje predviđanje da postoji veza između mase planeta i njegove rotacije, ali i pokazalo da ta priča nije nimalo jednostavna.
U Sunčevu sustavu taj se obrazac dugo nazirao. Jupiter i Saturn, dva najmasivnija planeta, oko svoje se osi okrenu za otprilike deset sati i nose velik dio ukupne rotacijske energije sustava. Astronomi su zato već godinama pretpostavljali da između mase i rotacije postoji jasna zakonitost. Sada je ta ideja prvi put provjerena na velikom uzorku svjetova izvan Sunčeva sustava.
Za to je iskorišten Opservatorij W. M. Keck na havajskoj planini Maunakea, gdje je tim astronoma promatrao 32 plinovita diva i smeđa patuljka u udaljenim zvjezdanim sustavima. U uzorku je bilo šest divovskih planeta većih od Jupitera i 25 pratitelja iz skupine smeđih patuljaka. Istraživači su potom tim mjerenjima pridružili i ranije podatke o objektima kojima je rotacija već bila određena, pa su sastavili probrani uzorak od 43 divovska planeta i drugih zvjezdanih ili podzvjezdanih pratitelja, uz još 54 slobodno lebdeća smeđa patuljka i tijela planetarne mase.
Što rotacija govori o nastanku
Podaci prikupljeni instrumentom “Keck Planet Imager and Characterizer”, odnosno KPIC-om, pokazali su da se plinoviti divovi, uzmu li se u obzir masa, veličina i starost, okreću brže od masivnijih podzvjezdanih objekata. To upućuje na to da konačnu brzinu rotacije ne određuje samo masa. Važni su i tip objekta, njegova razvojna povijest te omjer između njegove mase i mase zvijezde oko koje kruži.
To je osobito zanimljivo zato što mnogi promatrani planeti obilaze svoje zvijezde na udaljenostima od nekoliko desetaka do nekoliko stotina astronomskih jedinica. Budući da jedna astronomska jedinica odgovara prosječnoj udaljenosti Zemlje od Sunca, riječ je o vrlo udaljenim orbitama. Upravo oko takvih svjetova astronomi još raspravljaju nastaju li polagano u disku plina i prašine oko zvijezde ili nastaju gravitacijskim kolapsom, više nalik zvijezdama nego planetima.
KPIC je timu omogućio da iz svjetlosti tih objekata izdvoji vrlo suptilne promjene u spektru njihove atmosfere. Kako se planet okreće, obilježja u spektru blago se šire, a iz tog se učinka može izračunati brzina rotacije. Glavni autor rada Dino Chih-Chun Hsu iz centra CIERA pri Sveučilištu Northwestern rekao je da je rotacija svojevrsni fosilni zapis nastanka planeta, jer čuva trag o procesima koji su te svjetove oblikovali prije desetaka i stotina milijuna godina.
Istraživanje je objavljeno u časopisu The Astronomical Journal, a na njemu su surađivali znanstvenici iz centra CIERA pri Sveučilištu Northwestern, Centra za astrofiziku i svemirske znanosti pri Sveučilištu Kalifornije u San Diegu, odjela Geological & Planetary Sciences na Caltechu, Opservatorija W. M. Keck, opservatorija Steward Observatory, James C. Wyant College of Optical Sciences, NASA-ina laboratorija Jet Propulsion Laboratory i više drugih ustanova. Zaključak do kojeg su došli sugerira da na konačnu brzinu rotacije utječu i masa planeta i omjer između mase planeta i mase njegove zvijezde.
Kad veća masa ne znači bržu rotaciju
Koliko je taj odnos složen dobro pokazuje sustav HR 8799. U njemu se nalazi plinoviti div mase oko sedam Jupiterovih masa koji se okreće šest puta brže od smeđeg patuljka iz istog sustava, iako taj pratitelj ima oko 24 Jupiterove mase. Na prvi pogled to djeluje nelogično, jer bi se očekivalo da masivniji objekt zadrži više rotacijske energije.
Istraživači smatraju da se objašnjenje krije u magnetizmu i ranoj fazi razvoja. Masivniji pratitelj vjerojatno je imao mnogo snažnije magnetsko polje, a ono je u međudjelovanju s diskom materijala koji ga je okruživao učinkovitije usporilo njegovu rotaciju. Upravo takvi procesi mogli bi objasniti zašto neka vrlo masivna tijela na kraju ipak ne završavaju kao najbrži rotatori u sustavu.
Takvi rezultati važni su i za razumijevanje povijesti našeg Sunčeva sustava. Način na koji je kutni moment raspodijeljen među planetima utjecao je na ukupnu arhitekturu sustava, pa u tom širem smislu i na Zemljinu rotaciju i njezino magnetsko polje. Hsu pritom ističe da je KPIC prvi instrument te vrste i da je otvorio potpuno nov način proučavanja egzoplaneta, jer omogućuje mjerenje svojstava poput rotacije koja su donedavno bila gotovo nedostupna.
Sljedeći korak bit će proučavanje lutajućih planeta, odnosno planeta koji ne kruže oko zvijezda, kao i detaljnije istraživanje sastava njihovih atmosfera. U tome bi veliku ulogu trebao imati novi instrument HISPEC, odnosno “High-resolution Infrared Spectrograph for Exoplanet Characterization”, koji bi u Opservatoriju Keck trebao početi raditi 2027. godine. Prema riječima suautora Jasona Wanga, docenta na Sveučilištu Northwestern, HISPEC će imati veću osjetljivost, višu spektralnu razlučivost i širi raspon valnih duljina, pa bi astronomima trebao omogućiti mjerenje rotacije kod mnogo većeg broja planeta, uključujući i svjetove sličnije Jupiteru. To bi napokon moglo pokazati je li naš najveći planet tipičan ili je, i po tome, iznimka.
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.
