Záhady velkých exoplanetárních rebelantů  
O fyzikálně-matematickém modelu, který nabízí možné vysvětlení, proč se horké Jupitery pohybují v těsné blízkosti svých hvězd a v mnoha případech i opačným směrem.

 

Zvětšit obrázek
V nenápadném severním souhvězdí Lištičky, okolo jedné z běžných hvězd spektrální třídy G5, jednou za 2,12 pozemského dne oběhne plynný obr – exoplaneta HD198733. (Ilustrace)

Všechny planety i většina meziplanetárního smetí v Sluneční soustavě se po své oběžné dráze pohybuje stejným směrem, který je shodný s rotací centrální hvězdy – Slunce. Jestli je naše představa o vzniku planetárních soustav z primární protoplanetární mlhoviny správná, pak na tom není vůbec nic zvláštního, právě naopak. Je to hezký příklad zachování momentu hybnosti soustavy. To že například Venuše trucuje a rotuje okolo své osy opačným směrem, než by se podle fyzikálních zákonů slušelo, tedy retrográdně, je trochu jiný příběh, v němž hlavní roli hrají gravitační poruchy planet a důsledky slapových jevů působících po miliardy let.

 

Od objevení první planety mimo naší Sluneční soustavu uběhlo 16 let. Zpočátku každé pozorování takového exosvěta vyvolávalo velké vzrušení. Jenže zdokonalovala se technika i vyhledávací postupy, přibývaly zkušenosti a s nimi prudce narůstal i počet známých exoplanet. Včera (11. 5. 2011) jich bylo 548. Nevíme o nich mnohé podrobnosti, protože je nevidíme v dalekohledech, jen je odhalujeme nepřímo, pomocí gravitačních účinků a poklesů pozorované zářivosti mateřských hvězd, když vzhledem k pozemskému pozorovateli procházejí přes jejich zářivé kotouče. Touto transitní metodou se samozřejmě dají odhalit jenom ty planety, kterých oběžné dráhy protínají spojnici Zem – hvězda. Mezi informacemi, které o vzdálené exoplanetě dokážeme celkem spolehlivě určit, patří i směr jejího pohybu po oběžné dráze vzhledem k rotaci mateřské hvězdy. Podle očekávání by oba směry měly být stejné. Jenže pozorování ukázala, že ne vždy tomu tak je a některé takzvané „horké Jupitery“ vzdorují dobrým fyzikálním mravům, když se pohybují po své orbitě opačně, než se otáčí jejich hvězda.

Zvětšit obrázek
Jeden z horkých Jupiterů – exoplaneta TrES-3b má těměř dvojnásobnou hmotnost jako Jupiter, ale ke své mateřské hvězdě v souhvězdí Herkula je mnohem blíž, než Merkur k Slunci. Její oběžná doba je 31 hodin. Ilustrace: Leiden Observatory

 

Vůbec jde o „exo-planety“ nejen ve smyslu extrasolárním, tedy „mimosluneční“, ale doslova exotické. Podle systematiky, kterou jsme v rychle se rozrůstající rodině tajemných a velmi rozmanitých cizích světů zavedli, jde o planety s hmotností Jupiteru a větší, což by nebylo ničím neobvyklým, kdyby tak obrovská tělesa neobíhala své mateřské hvězdy neuvěřitelně blízko – ve vzdálenosti od 2,2 milionu do asi 80 milionů km. Představte si obrovský Jupiter na místě žárem rozpáleného Merkuru a máte nejméně extrémní příklad horkého Jupiteru. Přívlastek „horký“ pramálo vystihuje to žhavé peklo na takové planetě, vlastně ve většině případů jen na jedné, k hvězdě stále přivrácené straně, protože jejich rotace je gravitačně vázaná. Podobně jako je to u našeho Měsíce.

 

Proč ale asi čtvrtina těchto horkých Jupiterů obíhá retrográdně, tedy v protisměru vzhledem k rotaci mateřské hvězdy? Tato záhada podkopala naši, jinak velmi konsistentní představu o vzniku planetárních soustav. Nejnovější číslo odborného časopisu Nature nabízí jedno z možných vysvětlení v podání pětice astrofyziků z Northwestern University v americkém státě Illinois. Vědci pomocí počítačových modelů a simulací řešili obě záhady současně, protože zjevně spolu souvisí – jak se tak velká planeta dostane na tak nízkou oběžnou dráhu, na které vzniknout nemohla a proč obíhá v protisměru, než se kdysi pohybovala hmota, z níž se zrodila.


Astronomové vycházeli z představy centrální, Slunci podobné hvězdy, okolo které obíhají dvě planety. Ta bližší, vnitřní, je plynný obr o velikosti našeho Jupiteru a na začátku se pohybuje „správným“ směrem po téměř kruhové dráze se sklonem 64,7° ve vzdálenosti, kde podmínky v okolí mladé protohvězdy vznik velké plynné planety umožňují (model počítal se vzdáleností 6 AU, tedy 6x vzdálenost Země - Slunce). Do mnohem větší vzdálenosti (61 AU) na eliptickou dráhu se sklonem 6,8° vědci umístili druhou, vnější planetu o hmotnosti tří Jupiterů. Počáteční úhel mezi oběma oběžnými rovinami byl 71,5°. Inspirací pro tyto parametry byla exoplaneta Fomalhaut b v souhvězdí Jižní ryby.

Zvětšit obrázek
Slapové síly, které podle modelu amerických astrofyziků mají na svědomí záhady orbitálního pohybu horkých Jupiterů, způsobují i nám známější úkazy – přílivy a odlivy i nepatrné zpomalování rotace Země a vzdalování se Měsíce v současnosti rychlostí 3,84 cm/rok.
Obr.: Země a Měsíc z pohledu sondy Galileo. Velké rozlišení.

 

Gravitační provázanost všech tří těles, ale zejména změny v působení obrovské vzdálenější planety vyplývající z jejího orbitálního pohybu po elipse, v průběhu astronomicky dlouhé doby zapříčinily, že oběžná dráha menšího exo-Jupiteru periodicky měnila svůj tvar a postupně se s téměř kružnice stala dlouhá, úzká a vůči centrální hvězdě excentrická elipsa, jejíž úhel sklonu se také mírně zvětšoval. Když se planeta na této své gravitačními poruchami ovlivnéné dráze nacházela od mateřské hvězdy nejdál (v apoastronu), a zároveň byla druhá větší planeta k ní nejblíže, mohlo dojít k dočasnému gravitačnímu záchytu a to způsobilo překlopení dráhy přes úhel 90°. Vnitřní planeta tak v astronomicky krátké době změnila původní prográdní pohyb na retrográdní a začala se po své oběžné dráze pohybovat v podstatě opačným směrem než předtím.


Protože v důsledku silných slapových sil pomalu ztrácela energii, její moment hybnosti klesal na úkor vnější hmotnější planety. Proto se postupně přesouvala na nižší oběžnou dráhu blíž a blíž k centrální hvězdě, která nad ní přebírala gravitační nadvládu a rozžhavovala její povrch, až se stala velmi blízko a tedy i velmi rychle obíhajícím horkým Jupiterem.


I když jde o zajímavé vysvětlení obou záhad těchto exotických exoplanet, je to důkaz, že tento mechanismus je fyzikálně a matematicky možný. Není ale důkazem, že se to v každém reálně pozorovaném případě tak vskutku odehrálo.


 


 

Zdroj: Nature, Astronomy

Datum: 12.05.2011 14:40
Tisk článku

Jupiter - Havlíček Ivan
 
 
cena původní: 330 Kč
cena: 287 Kč
Jupiter
Havlíček Ivan

Diskuze:

Je tezke si to predstavit

Jiri Novak,2011-05-13 05:09:54

Neni nekde animace tohoto modelu??

Odpovědět


Dagmar Gregorova,2011-05-13 06:14:48

Kdybych o ni věděla, pak by v článku byl alespoň na ní odkaz.
Bohužel, celá zpráva z Northwestern Uni (kde mají na tiskovém oddělení 14 lidí!) vypadá takto:

http://www.northwestern.edu/newscenter/stories/2011/05/hot-jupiter_mobile.html

:)
no zkuste z toho něco pochopit...

Někdy autoři dávají videa jako doplňkové info k článku na síť, na stránku časopisu (Nature), žel v tomto případě doplňkové informace obsahují jen obecně popsanou teorii, z níž model vycházel.
Najdete je v spodní části stránky Nature - odkaz pod článkem ve zdrojích.
V tomto případě i originální článek je pro neastrofyzika těžko stravitelný a od prestižního, širocespektrálního Nature bych očekávala...

Ale faktem je, že výsledkem (jedním z výsledků)nemusí být animace a tak pravděpodobně ani žádná není. V tomto bývají v NASA vzoroví - naučili se dělat public relations a vskutku dokážou vsugerovat, jak je něco "významné", "převratné"... jednoduše SUPER! :)

Odpovědět


Karel Š,2011-05-13 16:35:14

V tom clanku ale neni nic o tom ze by ta druha planeta mela mit orbit skloneny k rovine ekliptiky...
Navic osobne mi to prijde nepravdepodobne, sance na vznik plynneho obra s takhle sklonenou obeznou drahou mi prijde dost mala na to aby se tim vysvetlovala ctvrtina horkych jupiteru. Navic mam pocit ze ty horke jupitery obihaji bud tam nebo zpatky, neobihaji kolmo nebo v ruznych naklonech - kdyby ano, asi by se o tom nekdo zminil. Takze bych rekl ze by to spis melo asi cele probehnout v rovine ekliptiky.

Odpovědět


Dagmar Gregorova,2011-05-13 17:03:00

Snad si nemyslíte, že jsem si to vymyslela...?

Z originálního článku:
The initial eccentricities are e1 = 0.01 and e2 = 0.6, the initial relative inclination i= 71.5 °

Nečekejte v mediálních zprávách všechny informace a podrobnější vysvětlení...

Odpovědět


Karel Š,2011-05-13 17:29:31

Jedine co jsem se snazil rict je ze pokud by se vychazelo z uvedeneho sklonu, jde podle me o snahu vysvetlit jev nepochopitelny ale zjevne bezny jevem velmi nepravdepodobnym.

Odpovědět


Dagmar Gregorova,2011-05-13 17:48:52

Možná to nemusí být pro velké vzdálenosti tak nepravděpodobné. Zmíněný Fomalhaut b obíhá mateřskou hvězdu ve vzdálenosti přes 100 AU s parametry:
Eccentricity (e) ~0.11
Inclination (i) ~66°

http://en.wikipedia.org/wiki/Fomalhaut_b
jeho hmotnost není přesně určena, ale mohlo by to být až 3x Jupiter

Odpovědět


Karel Š,2011-05-13 20:03:07

Planety s malym polomerem drahy nesou mnohem mensi cast hybnosti soustavy nez planety s velkym polomerem drahy, takze pokud je vyhazovani planet z roviny ekliptiky bezne, cekal bych ze se snaz projevi u planet blizko hvezdy nez u planet nekde na periferii. To ze se vi o jedne svedci spis pro to ze jde o vyjimku nez o pravidlo. A vysvetlovat pravidlo vyjimkou mi neprijde jako dobry napad.

Odpovědět


Dagmar Gregorova,2011-05-14 00:13:26

"Planety s malym polomerem drahy nesou mnohem mensi cast hybnosti soustavy nez planety s velkym polomerem drahy..."

Asi nerozumím, co tím myslíte... spočtete si přibližný průměrný moment hybnosti k Slunci bližšího většího a "rychlejšího" Jupiteru a vzdálenějšího menšího Saturnu...

Žel, nejsem kompetentní hájit model amerických astrofyziků. Faktem ale je, že obrovskou hmotnou planetu jen tak lehko "nevykopnete" z dráhy (navíc, když je převážně plynná :), a tak retrográdní, ale i prográdní horké Jupitery není jednoduché vysvětlit. Není proto divu, že se dělají modely se zvláštními počátečními podmínkami.

Odpovědět


Dagmar Gregorova,2011-05-14 02:30:57

Karle, omlouvám se Vám, přece ještě jedna úprava. Špatně jsem si to v snaze rychle článek doplnit přečetla. Takže počáteční úhel mezi oběžnými rovinami byl 71,5°, ale skloněnější dráhu měla vnitřní a ne vnější planeta. A to až 65° vůči rotačnímu rovníku mateřské hvězdy. Ke změnám její dráhy docházelo periodicky - dráha této vnitřní planety oscilovala mezi téměř kruhovou a protáhlou, přičemž excentricita elipsy při každé periodě narůstala. Podle grafů k záchytu a překlopení přišlo "skokem" v jednom dostatečně od hvězdy vzdáleném apoastronu - nejvzdálenějším místě na oběžné dráze.

Vaše původní námitka o velkém sklonu tak ale platí stále, dokonce pro mě je to hůř teď stravitelné, protože sklon oběžné dráhy sice velké (3J), ale velmi vzdálené planety (61 AU) bych si dokázala odůvodnit vlivem velkého vnějšího oblaku zbytků - analogie Oortova oblaku - a vlivu nějaké relativně blízké hvězdy... a pod. Při hmotnosti centrální hvězdy (= Slunce) a vzdálenosti těch 61 AU bych to strávila. Ale jak by se na tak skloněnou dráhu (vůči hvězdnému rovníku) dostala planeta o velikosti Jupiteru - což je také "dost" - a navíc, když její dráha s poloměrem 6 AU záhadně přitom zůstala regulérně téměř kruhová, tento mechanismus si představit nedovedu. Tak z protoplanetárního mraku vzniknout nemohla a vnější planeta jí "to" také nemohla způsobit. Asi i proto jsem neuvažovala, že primární velký sklon patřil této vnitřní planetě a ne vnější. V rovině protoplanetárního disku asi nebude jednoduché "vymyslet" překlopení.

Odpovědět

Dagmar Gregorova,2011-05-12 22:19:45

Protože se mi již po napsaní článku podařilo získat další informace, z kterých je víc, než z universitní zprávy zřejmé, z jakých parametrů model vycházel a jak "fungoval", druhá část článku byla 12. 5., 22:00 hod. doplněna a pozměněna. Omlouvám se. DG

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni












Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace