Egzoplanet GJ 523b ima 23,5 Zemljinih masa, polumjer tek 2,55 puta veći od Zemljina i gustoću koja upućuje na vrlo malen udio plinovitog omotača. Uz to kruži oko mlade zvijezde na vjerojatno gotovo polarnoj orbiti, što dodatno otežava objašnjenje njegova nastanka.
Astronomi poznaju tisuće planeta većih od Zemlje, ali većina se relativno uredno uklapa u dvije skupine. Manje i gušće svjetove često nazivamo super-Zemljama, dok su nešto veći sub-Neptuni obično obavijeni znatnim slojem plina i drugih lakših tvari. GJ 523b smjestio se gotovo točno ondje gdje ta jednostavna podjela prestaje funkcionirati.
Njegov polumjer iznosi 2,55 ± 0,15 Zemljinih polumjera, što je veličina tipična za sub-Neptun. Masa od 23,5 ± 3,3 Zemljine mase i prosječna gustoća od 7,8 ± 1,8 g/cm³ govore sasvim drukčiju priču. Planet je oko 40 posto gušći od Zemlje i prema modelima sadrži vrlo malen udio vodika i helija. Umjesto malog Neptuna s debelim plinovitim omotačem, astronomi gledaju iznimno masivan i kompaktan svijet sastavljen ponajprije od težeg materijala.
“Ovo uopće nije ono što smo očekivali”, rekao je Maxwell Kroft sa Sveučilišta Wisconsin-Madison, prvi autor istraživanja.
Planet ove mase trebao bi zadržati mnogo više plina
Planetarne jezgre rastu skupljanjem stijena, metala i drugih čvrstih tvari iz protoplanetarnog diska. Kada postanu dovoljno masivne dok u disku još ima plina, njihova gravitacija počinje učinkovito privlačiti vodik i helij. Upravo tako nastaju svjetovi s dubokim plinovitim omotačima. GJ 523b ima dovoljno veliku masu da bi se takav razvoj očekivao, ali njegova gustoća pokazuje da znatan omotač vodika i helija danas nema.
To ga jasno odvaja od uobičajenih super-Zemalja i sub-Neptuna. Dobar primjer pruža HD 35843 c, planet gotovo jednakog polumjera, ali s više nego dvostruko manjom masom i gustoćom od samo oko 3,8 g/cm³. Takva razlika pokazuje koliko dva planeta slične veličine mogu imati potpuno drukčiju unutarnju građu.
Dodatni problem je dob sustava. GJ 523 i njegovi zvjezdani susjedi stari su približno 169 milijuna godina. To je vrlo mlad sustav u usporedbi sa Sunčevim sustavom starim oko 4,6 milijardi godina. Planet zato nije imao milijarde godina za postupni gubitak goleme primarne atmosfere. Izračuni autora pokazuju da fotoevaporacija, odnosno uklanjanje atmosfere visokoenergetskim zračenjem zvijezde na današnjoj orbiti, teško može objasniti koliko malo plina danas vidimo.
Orbita je gotovo okomita na ekvator zvijezde
GJ 523b napravi jedan krug oko svoje zvijezde za 17,75 dana i nalazi se na približno 0,123 astronomske jedinice od nje. Još neobičnija od udaljenosti jest orijentacija putanje. Astronomi procjenjuju da je orbitalna ravnina planeta nagnuta najmanje oko 71 stupanj u odnosu na os rotacije zvijezde. To znači da je putanja vjerojatno blizu polarne, umjesto približno poravnata sa zvjezdanim ekvatorom kao što je uobičajeno u mirnije razvijenim planetarnim sustavima.
Takve snažno nagnute orbite često upućuju na burnu prošlost. Gravitacijski utjecaj velikog, udaljenijeg planeta mogao je poremetiti prvotnu putanju GJ 523b, ali takav planet zasad nije pronađen. Druga mogućnost je da se sama ravnina protoplanetarnog diska tijekom nastanka sustava razlikovala od osi rotacije zvijezde ili da su gravitacijske rezonancije u disku naknadno nagnule orbitu.
Buduća mjerenja radijalne brzine mogla bi otkriti skrivenog masivnog pratitelja. Autori očekuju da bi i budući podaci misije Gaia mogli pokazati vrlo malo gibanje zvijezde izazvano gravitacijom zasad nepoznatog planeta.
Veliki sudar?
Neobična svojstva GJ 523b možda su povezana s njegovom ranom migracijom kroz planetarni sustav. Modeli unutarnje građe upućuju na velik udio težih elemenata i moguće znatne količine vode, što bi značilo da planet nije nastao na mjestu na kojem ga danas vidimo. Autori smatraju da se mogao formirati dalje od svoje zvijezde, u hladnijem dijelu protoplanetarnog diska iza takozvane snježne granice, a zatim postupno migrirati prema unutarnjoj orbiti.
Teže je objasniti zašto planet s 23,5 Zemljinih masa danas nema debeli omotač vodika i helija. Jedna je mogućnost da tijekom nastanka nikada nije prikupio veliku količinu plina. Drugi scenarij uključuje jedan ili dva velika sudara s planetarnim tijelima usporedive mase. Takvi bi udari mogli povećati udio težeg materijala u planetu, a istodobno izbaciti velik dio njegove prvotne atmosfere. Simulacije navedene u radu pokazuju da bi takav slijed događaja mogao proizvesti planet sličnih svojstava.
Problem je što nijedno od ponuđenih objašnjenja zasad ne povezuje sve što astronomi vide. GJ 523b istodobno je iznimno masivan i gust, nalazi se u vrlo mladom sustavu i kruži na gotovo polarnoj orbiti. Upravo ta kombinacija čini ga posebno vrijednim za proučavanje jer postojeći modeli njegova nastanka moraju objasniti ne samo kako je prikupio toliku masu, nego i zašto je zadržao tako malo plina te kako je završio na tako neobičnoj putanji
“Mega-Zemlje” postaju zasebna opažačka skupina
Eh… sada. Naziv “mega-Zemlja” nije službena planetarna kategorija. Koristi se već više od desetljeća za neuobičajeno velike i guste svjetove, a autori novog rada sada predlažu jasnu opažačku definiciju: polumjer najmanje 2,1 Zemljina polumjera i gustoća najmanje 5,5 g/cm³.
GJ 523b nije jedini takav planet. Tim je izdvojio 13 dobro izmjerenih svjetova koji se po polumjeru i gustoći odvajaju i od tipičnih super-Zemalja i od sub-Neptuna. Pritom se međusobno razlikuju po temperaturama, starosti, orbitama i zvijezdama oko kojih kruže, pa za sada nema razloga pretpostaviti da svi nastaju istim procesom.
Upravo bi veći uzorak mogao pokazati postoji li zajednički obrazac. Za GJ 523b sljedeći korak bit će preciznije proučavanje atmosfere i nastavak potrage za drugim planetima u sustavu. Dok se to ne dogodi, ostaje jedan od rijetkih poznatih svjetova koji je dovoljno velik da bi nalikovao sub-Neptunu, dovoljno gust da ga je teško odvojiti od stjenovitih planeta i na orbiti koja sugerira da njegova prošlost nije bila mirna.
