La aproximativ 190 de ani lumină de Pământ, în Calea Lactee, astronomii au identificat o pereche planetară extrem de neobișnuită. Un Jupiter fierbinte masiv, un tip de planetă gigantică întâlnită de obicei singură, împarte sistemul său cu un mini-Neptun mai mic, care orbitează chiar mai aproape de steaua lor. Această configurație rară i-a nedumerit pe oamenii de știință încă de la descoperirea sa inițială în 2020. Acum, cercetătorii de la MIT au analizat mai atent atmosfera planetei interioare și au descoperit noi indicii care ajută la explicarea modului în care s-a format acest sistem ciudat.
Într-un studiu publicat în Astrophysical Journal Letters, echipa a folosit Telescopul Spațial James Webb (JWST) al NASA pentru a analiza atmosfera mini-Neptunului. Aceasta este prima dată când oamenii de știință au măsurat compoziția atmosferică a unui mini-Neptun situat în interiorul orbitei unui Jupiter fierbinte.
Observațiile arată că atmosfera planetei este surprinzător de densă și plină de molecule mai grele, inclusiv vapori de apă, dioxid de carbon, dioxid de sulf și urme de metan. Acest tip de atmosferă ar fi improbabil dacă planeta s-ar fi format aproape de steaua sa, unde, de obicei, predomină gazele mai ușoare. În schimb, descoperirile sugerează o origine foarte diferită.
Potrivit cercetătorilor, atât mini-Neptunul, cât și Jupiterul fierbinte s-au format probabil mult mai departe de steaua lor, într-o regiune mai rece a discului timpuriu de gaz și praf al sistemului. În acel mediu, materialele înghețate și compușii volatili s-ar putea acumula mai ușor, permițând planetelor să construiască atmosfere mai groase și mai grele. De-a lungul timpului, cele două planete au migrat probabil împreună spre interior, apropiindu-se de steaua lor, menținându-și în același timp atmosferele și aranjamentul orbital neobișnuit.
Rezultatele oferă prima dovadă clară că mini-Neptunii se pot forma dincolo de „linia de îngheț” a unei stele, distanța la care temperaturile sunt suficient de scăzute pentru ca apa să înghețe în gheață.
„Aceasta este prima dată când observăm atmosfera unei planete care se află în interiorul orbitei unui Jupiter fierbinte”, spune Saugata Barat, un post-doctorand la Institutul Kavli pentru Astrofizică și Cercetare Spațială al MIT și autorul principal al studiului. „Această măsurătoare ne spune că acest mini-Neptun s-a format, într-adevăr, dincolo de linia de îngheț, oferind confirmarea că acest canal de formare există.”
Mini-Neptunii sunt mai mici decât Neptun și sunt alcătuiți în mare parte din gaz care înconjoară un nucleu stâncos. De fapt, ei sunt cel mai comun tip de planetă găsit în Calea Lactee, deși nu există niciunul în propriul nostru sistem solar.
În 2020, Chelsea X. Huang, pe atunci Torres Postdoctoral fellow la MIT (acum în facultate la Universitatea din South Queensland), a identificat acest sistem neobișnuit. Mini-Neptunul a fost găsit orbitând alături de un Jupiter fierbinte, lucru pe care astronomii îl văd rar. Folosind date de la Satelitul de Supraveghere a Exoplanetelor în Tranzit (TESS) al NASA, echipa a studiat o stea numită TOI-1130 și a detectat ambele planete. Mini-Neptunul finalizează o orbită la fiecare patru zile, în timp ce Jupiterul fierbinte are nevoie de opt zile.
„Acesta a fost un sistem unic”, spune Huang. „Jupiterii fierbinți sunt „singuratici”, adică nu au planete însoțitoare în interiorul orbitelor lor. Sunt atât de masivi, iar gravitația lor este atât de puternică, încât orice se află în interiorul orbitei lor este pur și simplu împrăștiat. Dar, cumva, cu acest Jupiter fierbinte, un companion interior a supraviețuit. Și asta ridică întrebări despre modul în care s-ar putea forma un astfel de sistem.”
Descoperirea i-a determinat pe cercetători să investigheze planetele mai în detaliu folosind JWST, concentrându-se asupra lumii interioare, cunoscută sub numele de TOI-1130b. Cu toate acestea, observarea planetei nu a fost simplă. Spre deosebire de majoritatea planetelor, care urmează programe orbitale previzibile, această pereche se află în ceea ce oamenii de știință numesc „rezonanță de mișcare medie”. Gravitația fiecărei planete modifică ușor orbita celeilalte, făcând mișcările lor mai puțin regulate și mai greu de prezis.
Pentru a depăși acest lucru, o echipă condusă de Judith Korth de la Universitatea Lund a compilat observații anterioare și a creat un model pentru a determina exact când vor trece planetele în fața stelei lor într-un mod în care JWST să poată observa.
„A fost o predicție dificilă și a trebuit să fim la fix”, spune Barat.
Odată ce timpul a fost potrivit, JWST a capturat date detaliate pe mai multe lungimi de undă ale luminii. „Frumusețea JWST este că nu observă doar într-o singură culoare, ci la culori sau lungimi de undă diferite”, explică Barat. „Și lungimile de undă specifice pe care o planetă le absoarbe vă pot spune multe despre compoziția atmosferei sale.”
Datele au dezvăluit semnături puternice de apă, dioxid de carbon și dioxid de sulf, împreună cu cantități mai mici de metan. Aceste molecule mai grele contrastează cu hidrogenul și heliul mai ușoare, așteptate de obicei la planetele care se formează aproape de stelele lor. Această descoperire contestă ipotezele anterioare și susține ideea că TOI-1130b s-a format mult mai departe înainte de a migra spre interior.
Planeta și-a adunat probabil atmosfera într-o regiune rece dincolo de linia de îngheț, unde apa îngheață pe granulele de praf și formează particule înghețate. Pe măsură ce planeta tânără s-a deplasat spre interior, gheața s-ar fi evaporat, lăsând în urmă atmosfera groasă văzută astăzi.
Barat spune că prezența acestor molecule grele confirmă faptul că ambele planete au provenit probabil din regiunile exterioare ale sistemului lor și au migrat împreună spre interior, păstrându-și atmosferele.
„Acest sistem reprezintă una dintre cele mai rare arhitecturi pe care astronomii le-au găsit vreodată”, spune Barat. „Observațiile TOI-1130b oferă primul indiciu că astfel de mini-Neptuni care se formează dincolo de linia apei/gheții sunt, într-adevăr, prezenți în natură.”