NASA-in svemirski teleskop James Webb identificirao je planet u orbiti oko pulsara čiji kemijski sastav atmosfere ne odgovara nijednom postojećem modelu planetarnog nastanka. Objekt, službenog naziva PSR J2322-2650b, mase usporedive s Jupiterovom, pokazuje atmosferu u kojoj dominiraju helij i molekularni ugljik, kombinacija dosad nezabilježena među promatranim planetima. Analiza spektra upućuje na prisutnost ugljičnih oblaka, dok se u unutrašnjosti planeta ugljik može kondenzirati u čvrsti oblik. Ključno otvoreno pitanje nije što Webb vidi, nego kojim je fizikalnim procesima takav planet uopće mogao nastati u okruženju pulsara.
“To nas je u potpunosti zateklo”, rekao je suautor studije Peter Gao iz Laboratorija za znanosti o Zemlji i planetima pri Carnegie Instituciji u Washingtonu. “Već pri prvom uvidu u podatke postalo je jasno da se radi o objektu koji se bitno razlikuje od naših očekivanja.”
PSR J2322-2650b kruži oko pulsara, brzo rotirajuće neutronske zvijezde koja emitira snopove elektromagnetskog zračenja u pravilnim razmacima, najčešće od milisekundi do sekundi. Te se “pulsacije” opažaju samo kada je snop usmjeren prema Zemlji, slično kao kod svjetionika. Riječ je o milisekundnom pulsaru za koji se očekuje da zrači ponajviše gama-zrakama i drugim visokoenergijskim česticama, što je izvan Webbova infracrvenog dosega. Upravo zato, bez sjajne zvijezde u infracrvenom spektru, promatranje planeta postaje neuobičajeno “čisto”.
Spektar bez zasljepljujuće zvijezde
“Ovaj sustav je jedinstven jer možemo vidjeti planet osvijetljen od svoje matične zvijezde, a da pritom uopće ne vidimo matičnu zvijezdu”, rekla je Maya Beleznay, studentica treće godine doktorskog studija na Sveučilištu Stanford u Kaliforniji, koja je radila na modeliranju oblika planeta i geometrije njegove orbite. “Tako dobivamo zaista čist spektar. I ovaj sustav možemo proučavati detaljnije nego uobičajene egzoplanete.”
“Planet kruži oko zvijezde koja je potpuno bizarna, mase Sunca, ali veličine grada”, rekao je Michael Zhang sa Sveučilišta u Chicagu, glavni istraživač ove studije.
Ono što je Webb vidio u spektru odstupa od standardnih očekivanja za atmosfere egzoplaneta. “Ovo je nova vrsta planetarne atmosfere kakvu nitko nikada nije vidio. Umjesto uobičajenih molekula koje očekujemo u atmosferama egzoplaneta, poput vode, metana i ugljikova dioksida, vidjeli smo molekularni ugljik, konkretno C3 i C2.”
Molekularni ugljik pod tim uvjetima smatra se iznimno neuobičajenim. Na temperaturama koje vladaju na PSR J2322-2650b, ugljik bi se, ako u atmosferi ima drugih atoma, trebao vezivati s njima i stvarati druge spojeve. Temperature na planetu kreću se od oko 649 °C na najhladnijim dijelovima noćne strane do oko 2.038 °C na najtoplijim područjima dnevne strane. Dominacija molekularnog ugljika upućuje na to da u atmosferi gotovo da nema kisika ili dušika.
Autori pritom naglašavaju širinu usporedbe. Od približno 150 planeta koje su astronomi detaljnije proučavali unutar i izvan Sunčeva sustava, nijedan drugi nije pokazao mjerljivu prisutnost molekularnog ugljika.
Orbita od 7,8 sati
PSR J2322-2650b nalazi se ekstremno blizu svojeg domaćina, na udaljenosti od oko 1,61 milijun kilometara. Za usporedbu, Zemlja je od Sunca udaljena oko 160,9 milijuna kilometara. Zbog tako “tijesne” orbite, planetu za jedan obilazak oko pulsara treba samo 7,8 sati. Gravitacijski utjecaj znatno masivnijeg pulsara pritom izdužuje planet mase usporedive s Jupiterovom u neobičan oblik nalik limunu.
Zajedno, pulsar i njegov pratitelj svrstavaju se u tzv. sustave crne udovice, rijetku klasu bliskih dvojnih sustava koje čine brzo rotirajući pulsar i znatno manje, niskomasivno tijelo u uskoj orbiti. U takvim sustavima materijal je u prošlosti mogao otjecati s pratitelja na pulsar, što je dovelo do ubrzavanja rotacije pulsara i nastanka snažnog čestičnog vjetra. Taj vjetar i zračenje s vremenom mogu uklanjati masu pratitelja.
U ovom slučaju pratitelj se, međutim, službeno smatra egzoplanetom, ne zvijezdom. Međunarodna astronomska unija egzoplanet definira kao nebesko tijelo mase manje od 13 Jupiterovih masa koje kruži oko zvijezde, smeđeg patuljka ili zvjezdanog ostatka, uključujući pulsare.
Istraživači dodatno ističu koliko je ovaj slučaj rijedak u širem katalogu poznatih svjetova. Među oko 6.000 poznatih egzoplaneta, ovo je jedini primjer koji podsjeća na plinovitog diva, s masom, radijusom i temperaturom sličnima “vrućem Jupiteru”, a da pritom kruži oko pulsara. Poznato je tek nekoliko pulsara koji imaju planete.
“Ovaj se objekt nije formirao kao uobičajeni planet, jer mu je kemijski sastav u potpunosti drukčiji”, rekao je Zhang. “Malo je vjerojatno i da je nastao skidanjem vanjskih slojeva zvijezde, što je mehanizam tipičan za sustave crne udovice, jer nuklearni procesi ne proizvode čisti ugljik. Izuzetno je teško objasniti tako snažno obogaćen ugljikom sastav, koji, čini se, ne odgovara nijednom poznatom mehanizmu nastanka.”
Suautor studije Roger Romani sa Sveučilišta Stanford i Kavlijeva instituta za astrofiziku čestica i kozmologiju iznosi mogući proces koji bi se mogao odvijati u unutrašnjosti i atmosferi objekta.
“Kako se pratitelj postupno hladi, smjesa ugljika i kisika u njegovoj unutrašnjosti počinje kristalizirati”, rekao je Romani. “Čisti ugljični kristali pritom se izdvajaju i miješaju s helijem u atmosferi, što odgovara opaženom spektru. No pritom ostaje nejasno koji bi mehanizam sprječavao prisutnost kisika i dušika, i upravo tu nastaje ključni problem.”
“Ali lijepo je ne znati sve”, dodao je Romani. “Veselim se tome da naučimo više o neobičnosti ove atmosfere. Sjajno je imati zagonetku koju se može slijediti.”
Autori zaključuju da je ovakvo otkriće moguće zahvaljujući Webbovu infracrvenom pogledu i visokoj osjetljivosti, uz rad u uvjetima ekstremnog hlađenja instrumenata. Teleskop se nalazi na udaljenosti od oko 1,61 milijun kilometara od Zemlje, a njegov golemi toplinski štit održava instrumente dovoljno hladnima za ovakva mjerenja. Promatranje ovog tipa nije moguće provesti sa Zemljine površine.
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.
