Planeti bez zvijezde možda su žrtve nasilnog izbacivanja iz mladih sustava

Slobodno plutajući planeti, svjetovi koji više nisu gravitacijski vezani ni uz jednu zvijezdu, mogli bi biti čest ishod burne mladosti planetarnih sustava. Novo istraživanje predlaže mehanizam u kojem zvijezda pratilja najprije poremeti orbitu udaljenog planeta, a zatim ga bliski susret s planetom u unutarnjem dijelu sustava može izbaciti u međuzvjezdani prostor.

Prema suvremenim modelima, takvi planeti mogli bi biti iznimno brojni. Procjene navode da ih može biti čak 19 puta više nego planeta iza snježne granice, hladnog područja planetarnog sustava u kojem se spojevi poput vode, amonijaka i metana mogu kondenzirati u led. Novi rad Xiaochena Zhenga iz Pekinškog planetarija i njegovih suradnika pokušava objasniti dio te populacije kroz scenarij koji nalikuje kozmičkom biljaru: jedan planet bude gurnut prema unutrašnjosti sustava, drugi mu promijeni energiju putanje, a konačan ishod može biti potpuno izbacivanje iz sustava.

Jedan susret dovoljan je da planet izgubi zvijezdu

Slobodno plutajući planeti dugo su se doimali kao rijetki izuzeci, hladni svjetovi odvojeni od zvijezda i prepušteni međuzvjezdanom prostoru. No ako ih je doista toliko mnogo, njihovo podrijetlo postaje jedno od važnijih pitanja moderne planetarne znanosti.

Moguća objašnjenja idu u dva smjera. U jednom scenariju objekti planetarne mase mogu nastati urušavanjem izoliranih oblaka plina koji nemaju dovoljno mase za stvaranje zvijezde. U drugom scenariju planet se oblikuje u planetarnom sustavu, a zatim bude izbačen gravitacijskim susretima s drugim planetima.

Novi rad razrađuje upravo taj drugi put. Prema autorima, izbacivanje može postati znatno učinkovitije ako mladi sustav ima zvijezdu pratilju. Ona ne mora izravno izbaciti planet. Dovoljno je da tijekom dugog razdoblja poremeti njegovu orbitu i pošalje ga prema unutarnjem dijelu sustava, gdje ga čekaju masivni bliski planeti.

Zvijezda pratilja polako rasteže orbitu udaljenog planeta

Mnogi planetarni sustavi ne nastaju oko jedne osamljene zvijezde. Zvijezde se često rađaju u parovima, a udaljena zvijezda pratilja može snažno utjecati na dinamiku planeta koji kruže oko jedne od njih.

U predloženom scenariju ključnu ulogu ima takozvani “von Zeipel-Lidov-Kozai” mehanizam. To je proces u kojem udaljeno masivno tijelo postupno mijenja orbitu planeta. Ako se u vanjskom dijelu sustava nalazi hladan planet, daleko od matične zvijezde, gravitacijski utjecaj zvijezde pratilje može njegovu putanju tijekom milijuna godina sve više izdužiti.

Planet tada više ne ostaje uredno smješten u vanjskom sustavu. Njegova orbita postaje rastegnuta elipsa: na jednom kraju udaljava se od zvijezde, a na drugom zaranja prema unutrašnjosti sustava. Ondje se mogu nalaziti kratkoperiodične super-Zemlje i vrući Jupiteri, planeti koji kruže vrlo blizu svoje zvijezde.

Taj trenutak mijenja cijelu dinamiku. Udaljeni planet, već oslabljen na rastegnutoj putanji, ulazi u područje u kojem jedan bliski susret može biti dovoljan da ga izbaci iz sustava.

Vrući Jupiteri pokazali su se kao najučinkovitiji izbacivači

Prema simulacijama koje su proveli Zheng i suradnici, izravan sudar nije potreban. Dovoljan je bliski prolazak dvaju planeta. Tijekom takvog susreta planeti razmjenjuju orbitalnu energiju, a planet koji je već slabo vezan uz zvijezdu može prijeći brzinu bijega.

U tom trenutku prestaje biti dio sustava. Nastavlja putanju kroz međuzvjezdani prostor kao slobodno plutajući planet.

Najveću ulogu u tom procesu imaju vrući Jupiteri. U simulacijama su planete Jupiterove mase izbacivali u oko 80 posto susreta. Super-Zemlje su bile znatno manje učinkovite protiv tako masivnih planeta, s udjelom izbacivanja od približno 6,5 posto.

Super-Zemlje nisu osobito učinkovite protiv planeta Jupiterove mase, ali mogu snažno utjecati na manje planete. U simulacijama su hladne super-Zemlje izbacivale iz sustava u oko 52 posto susreta. Drugim riječima, za izbacivanje planeta nije uvijek potreban vrući Jupiter. Ponekad je dovoljna i bliska super-Zemlja, ako joj se približi lakši planet čija je putanja već poremećena.

Izbačeni planet nije jedina žrtva susreta

Gravitacijski susret može teško promijeniti i orbitu planeta koji ostaje u sustavu. U nekim slučajevima unutarnji planet gubi toliko kutne količine gibanja da se počinje približavati zvijezdi i na kraju biva progutan. U drugim slučajevima preživi, ali mu orbita ostaje trajno poremećena.

Takav planet može završiti na jako izduženoj putanji, s velikim nagibom u odnosu na izvorni orbitalni poredak, pa čak i s orbitom koja je potpuno preokrenuta. Takve neobične putanje mogu biti tragovi davnog nasilja u sustavu, znak da je jedan planet izbačen, a drugi ostao kao poremećeni preživjeli.

Autori procjenjuju da bi ovakav mehanizam mogao objasniti oko osam posto slobodno plutajućih planeta. To ne znači da je riječ o glavnom objašnjenju za cijelu populaciju, ali pokazuje da izbacivanja mogu biti važan i čest dio rane evolucije planetarnih sustava.

Buduća opažanja trebala bi dati jasniju sliku. Svemirski teleskop Nancy Grace Roman trebao bi otkriti velik broj novih slobodno plutajućih planeta i omogućiti bolju statistiku o njihovoj učestalosti i masama. Ako se opažanja poklope s predviđanjima ovakvih modela, dio planeta koji danas lutaju međuzvjezdanim prostorom mogao bi se pokazati kao ostatak mladih sustava koji su svoje svjetove jednostavno izbacili.

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.