Planety rozmiarów Jowisza są tak lekkie, iż porównuje się je do piany i waty cukrowej. TOI-791 b i TOI-791 mają ekstremalnie małą gęstość.
Astronomowie trafili na dwie planety, których opis brzmi jak coś wymyślonego na potrzeby wykładu o paradoksach. Na pierwszy rzut oka to pełnoprawne odpowiedniki Jowisza – duże, rozciągnięte, robiące wrażenie. Dopiero gdy zajrzymy do ich metryki, to okazuje się, iż ważą zaskakująco mało. Rozmiar mówi jedno, masa drugie, a gęstość sprawia, iż zaczynają przypominać raczej kosmiczne balony niż klasyczne gazowe olbrzymy.
TOI-791 b i TOI-791 c należą do rzadkiej klasy planet nazywanych super-puffami. To światy tak rozdmuchane, iż ich średnia gęstość jest mniejsza niż gęstość waty cukrowej. Brzmi absurdalnie, ale właśnie takie obiekty są dla astronomów najciekawsze, bo pokazują, iż układy planetarne potrafią składać się według zasad, których wciąż nie rozumiemy do końca.
Planety większe jak Jowisz, lekkie jak puch
Obie planety krążą wokół gwiazdy TOI-791, oddalonej od Ziemi o około 1110 lat świetlnych. To gwiazda podobna do Słońca, choć nie identyczna, znajdująca się w gwiazdozbiorze Ryby Latającej. Już jego sama nazwa brzmi niezwykle egzotycznie, ale prawdziwa egzotyka zaczyna się dopiero przy planetach.
TOI-791 b ma promień niemal taki jak Jowisz. TOI-791 c jest choćby trochę większa. Gdyby narysować je obok planet Układu Słonecznego, nie wyglądałyby jak niewielkie globy. Raczej jak pełnoprawne gazowe olbrzymy. Problem w tym, iż ich masy są zaskakująco małe. Pierwsza ma około 3 proc. masy Jowisza, druga około 5,9 proc.
To daje gęstości na poziomie 0,038 i 0,047 g/cm sześc. Dla porównania, Jowisz ma średnią gęstość około 1,33 g/cm sześc., a Ziemia około 5,5 g/cm sześc. Różnica jest tak duża, iż popularne porównanie do waty cukrowej nie jest wyłącznie efektownym chwytem. Te planety są naprawdę rzadkie.
Oczywiście nie oznacza to, iż można byłoby stanąć na takim świecie i zanurzyć but w słodkiej piance. To wciąż planety gazowe, prawdopodobnie zdominowane przez wodór i hel, bez powierzchni w ziemskim sensie. Puchatość oznacza tu ekstremalnie rozdmuchaną atmosferę i bardzo małą masę w stosunku do objętości.
Jak pisaliśmy w tekście: Na planecie Wasp-107b pada deszcz z piasku. A to nie koniec dziwów, egzoplanety potrafią wyglądać jak katalog kosmicznych anomalii. Jedne mają atmosfery pełne pary wodnej i dwutlenku siarki, inne są tak rozgrzane, iż topią skały, a jeszcze inne mają strukturę tak lekką, iż porównania do piany przestają być przesadą.
TESS zobaczył cień, nie planetę
Tych planet nie sfotografowano bezpośrednio. To bardzo istotna informacja, bo ilustracje takich obiektów potrafią działać na wyobraźnię, ale nie są zdjęciami. Astronomowie odkryli je metodą tranzytów. To znaczy, iż teleskop TESS obserwował gwiazdę i rejestrował niewielkie spadki jej jasności, gdy planeta przechodziła na jej tle.
Jeśli wiemy, jak bardzo gwiazda przygasa, to możemy oszacować rozmiar planety. To trochę jak mierzenie średnicy owada przelatującego przed lampą, tylko w skali kosmicznej i z odległości ponad 1000 lat świetlnych. Żeby jednak policzyć gęstość, potrzebna pozostało masa. I tu robi się ciekawiej.
W układzie TOI-791 obie planety wpływają na siebie grawitacyjnie. Ich orbity są bliskie rezonansu 5:3, co oznacza, iż na każde około 5 okrążeń wewnętrznej planety zewnętrzna wykonuje prawie 3. To wzajemne szarpanie powoduje drobne przesunięcia w czasie tranzytów. Astronomowie potrafią z takich opóźnień i przyspieszeń wyciągnąć informację o masie planet.
W tym przypadku różnice w czasie tranzytów sięgały choćby około 50 minut. Dla astronomów to kopalnia danych. Gdy planeta nie przechodzi przed tarczą gwiazdy dokładnie wtedy, kiedy powinna, oznacza to, iż coś ją grawitacyjnie popycha albo przyciąga.
Jak pisaliśmy w tekście: Znamy już 6 tys. planet poza Układem Słonecznym. A to dopiero początek początku, współczesna astronomia egzoplanet to często nie oglądanie odległych światów, ale odczytywanie subtelnych śladów: cieni, drgań gwiazd, zmian widma i minimalnych przesunięć w czasie. TOI-791 b i c są idealnym przykładem tego, jak z ledwo widocznych sygnałów można zrekonstruować całe układy planetarne.
Antarktyda pomogła złapać kosmiczne olbrzymy
Jednym z najbardziej niezwykłych elementów tego odkrycia jest rola teleskopu ASTEP, czyli Antarctic Search for Transiting ExoPlanets, działającego przy stacji Concordia na Antarktydzie. To miejsce ma jedną ogromną zaletę: podczas antarktycznej zimy można prowadzić długie, nieprzerwane obserwacje w ciemności.
A przy TOI-791 było to kluczowe. Tranzyty tych planet realizowane są ponad 11 godzin. Żeby dobrze uchwycić cały taki spadek jasności, potrzeba obserwacji bez przerw, bez wschodu Słońca, bez typowego rytmu dnia i nocy. Antarktyda, mimo całej swojej brutalności logistycznej, daje tu przewagę. Dzięki ASTEP udało się zaobserwować pełne, bardzo długie tranzyty z powierzchni Ziemi. To pomogło potwierdzić, iż mamy do czynienia z prawdziwymi planetami, a nie błędem danych, układem podwójnym gwiazd albo innym fałszywym sygnałem.
Rzadkie jak kosmiczne jednorożce
Super-puffy są rzadkie. choćby bardzo. Wśród tysięcy potwierdzonych egzoplanet znamy ich mniej niż kilkadziesiąt. Jeszcze rzadsze są układy, w których mamy więcej niż jedną taką planetę. TOI-791 jest więc czymś w rodzaju naturalnego laboratorium: dwie bardzo podobne, skrajnie lekkie planety krążą wokół tej samej gwiazdy i prawdopodobnie powstały z tego samego dysku gazu oraz pyłu.
Pojedynczy dziwny obiekt zawsze można próbować tłumaczyć wyjątkowym przypadkiem. Może ma pierścienie. Może obserwacje są trudne. Może wiek układu jest nietypowy. Może historia migracji była szczególna. Jednak gdy w jednym układzie pojawiają się dwa podobnie absurdalne planety, problem robi się głębszy.
Jedna z hipotez mówi, iż super-puffy mają bardzo masywne otoczki z wodoru i helu, stanowiące dużą część całej masy planety. Taki scenariusz wymagałby formowania w regionie dysku protoplanetarnego bogatym w gaz, gdzie skaliste lub lodowe jądro mogło gwałtownie zebrać ogromną, luźną atmosferę. Druga możliwość pozostało dziwniejsza: część super-puffów może nie być aż tak puszysta, jak się wydaje, tylko wyglądać na większą przez grube, optycznie nieprzezroczyste pierścienie ustawione korzystnie względem obserwatora.
*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI
