Jak upiec planetę?

Artystyczne wyobrażenie „gorącego jowiszaHAT-P-7b, planety o promieniu 1.4 promieni naszego Jowisza „słonecznego”. Źródło: NASA / ESA / G. Bacon (STScI)

Nowe badania sugerują, że bliskie planety - gazowe olbrzymy są w stanie podgrzać się elektrycznie za pośrednictwem „cewek” umieszczonych w ich macierzystych gwiazdach – poprzez linie sił pola wynoszone wraz z wiatrem gwiazdowym. To może tłumaczyć, dlaczego planety te osiągają bardzo duże rozmiary.

Astronom Derek Buzasi z Florida Gulf Coast University uważa, że takie planety, zwane też gorącymi jowiszami, są niczym tostery. Wg zaproponowanego przez niego modelu są one w sposób ciągły podgrzewane przez prądy elektryczne przebiegające aż do wnętrza planet. Prądy te wychodzą z zewnętrznego źródła energii, którym jest centralna gwiazda w układzie planetarnym. Taki sposób zaopatrywania planet w prąd elektryczny może być rozwiązaniem zagadki, nad którą naukowcy pracują już od ponad dekady.

Od roku 2000 obserwacje tranzytów planet pozwalają naukowcom na dokładne pomiary ich rozmiarów. Polegają na oszacowaniu, jak wiele światła z tarczy gwiazdy jest w stanie przyćmić planeta podczas przejścia przed tarczą gwiazdy. Dzięki tym obserwacjom okazało się także, że planety – gazowe olbrzymy leżące szczególnie blisko swych gwiazd macierzystych są jak gdyby „rozdęte” do ogromnych rozmiarów i dużo większe niż planety o podobnych masach, ale położone w dalszych odległościach od gwiazdy. Przeprowadzone w 2011 badania przy pomocy danych z Teleskopu Keplera dowodzą, że takie gorące jowisze przyjmują średnie rozmiary swego promienia rzędu 87% promienia Jowisza w naszym Układzie Słonecznym. Gdy jednak ich orbity są położone bliżej gwiazdy, otrzymują około 150 razy więcej jej promieniowania niż Ziemia dostaje od Słońca. Zaczynają wtedy jak gdyby puchnąć, gwałtownie zwiększając swe rozmiary.

Dlaczego jednak tak się dzieje ? Istnieją co prawda pewne modele podgrzewania atmosferycznego, które dobrze wyjaśniają tylko część zjawisk związanych z inflacją planet. Obliczono na przykład, że przy intensywnym promieniowaniu gwiazdy w układzie, planety mogą zwiększyć swe rozmiary do około 1.3 średnicy Jowisza. Ale w przypadku pewnych planet tego typu – takich jak WASP-19, WASP-12 czy TrES-4b, owo zwiększenie rozmiaru wykracza daleko poza wszelkie tego typu modele. Mają bowiem rozmiary rzędu do 2 promieni Jowisza.

Astronomowie zaproponowali szereg dodatkowych źródeł ciepła we wnętrzach tych planet, które mogłyby dodatkowo je rozdymać od środka. Przykładowo, obserwacje wskazują na to, że planety-giganty składają się z większej ilości pierwiastków ciężkich niż Słońce, być może więc gorące jowisze również mają cięższe „otoczki”, które pochłaniają dużo więcej energii niż przewidują to obecne, konserwatywne modele. W roku 2010 Konstantin Batygin i David J. Stevenson z Caltech zasugerowali także, że naddźwiękowe wiatry obecne w gorących jowiszach mogą doprowadzić do znacznego podgrzania - na skutek obecnego w atmosferach tych planet prądu jonowego, który biegnie przez ich pola magnetyczne z prędkościami dochodzącymi do kilometra na sekundę. Najbardziej obiecujące byłoby w takim przypadku ogrzewanie pływowe, zachodzące na skutek oddziaływania grawitacyjnego planety z dużo bardziej masywną gwiazdą (a może i z innymi, dużymi planetami układu). Taki mechanizm podgrzewałby wnętrza planet w sposób bezpośredni.

Nowy pomysł Buzasi’ego związany z jest z kolei z polem magnetycznym gwiazdy centralnej. Słońce w naszym Układzie Słonecznym jest niczym ogromna prądnica: wydobywające się z niego strugi naładowanych cząsteczek są jak międzyplanetarne linie przesyłowe prądu. Elektryczność pochodząca ze Słońca łączy się tym sposobem z ziemskim polem magnetycznym i jego biegunami, wchodząc w jonosferę. W połączeniu z wyładowaniami burzowymi powoduje to pewien globalny prąd elektryczny, powodujący lekki przepływ ładunków wysoko ponad biegunami magnetycznymi Ziemi. Jeśliby zaaplikować ten sam model do przypadku gazowych olbrzymów okrążających swe gwiazdy po bardzo ciasnych orbitach, okaże się z kolei, że mogą się one w ten sposób podgrzać aż do temperatur rzędu 1400 stopni Kelvina.

Liczba odsłon: 1062


Wykres obrazuje promienie znanych planet gorących jowiszów w funkcji mocy promieniowania, jakie otrzymują one od swych gwiazd centralnych. Granica, poniżej której planety zaczynają się gwałtownie nadymać, oznaczona linią kropkowaną, odpowiada poziomowi promieniowania gwiazdy rzędu 150 razy silniejszego niż w przypadku Słońca i Ziemi. Źródło: Brice-Olivier Demory & Sara Seager




Prądy ustawione wzdłuż linii sił ziemskiego pola magnetycznego wschodzą w rejon jonosfery i przecinają ziemskie obszary biegunowe, dając wkład do jej globalnego pola elektrycznego. Źródło: Misibacsi / Wikipedia Commons