Gökbilimciler, sıcak Jüpiter olma yolunda ilerleyen ‘çok eksantrik’ bir gezegen tespit etti

Sıcak Jüpiterler galaksideki en uç gezegenlerden bazılarıdır. Bu kavurucu dünyalar Jüpiter kadar büyük ve yıldızlarına çılgınca yakın bir şekilde salınırlar, bizim gaz devimizin güneş etrafındaki 4.000 günlük yavaş yörüngesine kıyasla birkaç günde dönerler.

Bilim insanları, sıcak Jüpiterlerin her zaman bu kadar sıcak olmadığından ve aslında daha soğuk, uzak ortamlarda “soğuk Jüpiterler” olarak oluşmuş olabileceğinden şüpheleniyorlar. Ancak, bugün gökbilimcilerin gözlemlediği yıldız kucaklayan gaz devlerine nasıl evrildikleri büyük bir bilinmezlik.

Şimdi, MIT, Penn State Üniversitesi ve diğer yerlerdeki gökbilimciler, sıcak bir Jüpiter “atası” keşfettiler – sıcak bir Jüpiter olma yolunda olan bir tür genç gezegen. Ve yörüngesi, sıcak Jüpiterlerin nasıl evrimleştiğine dair bazı cevaplar sağlıyor. Bulgular şunlardır: yayınlanan dergide Doğa.

Ortak yazarlar arasında MIT lisans öğrencisi Haedam Im, Penn State Üniversitesi ve NSF NOIRLab’dan baş yazar Arvind Gupta ve çok sayıda başka üniversite, kurum ve gözlemevinden işbirlikçiler yer alıyor.

Gökbilimcilerin TIC 241249530 b olarak adlandırdığı yeni gezegen, Dünya’dan yaklaşık 1.100 ışık yılı uzaklıktaki bir yıldızın yörüngesinde dönüyor. Gezegen, yıldızının etrafında oldukça “eksantrik” bir yörüngede dönüyor, yani yıldıza çok yakın bir noktaya geliyor, sonra çok uzağa fırlıyor, sonra dar, eliptik bir devrede geri dönüyor.

Eğer gezegen güneş sistemimizin bir parçası olsaydı, Dünya’nın hemen yanından fırlayıp geri dönmeden önce Merkür’den Güneş’e on kat daha yakın olurdu. Bilim insanlarının tahminlerine göre, gezegenin uzatılmış yörüngesi bugüne kadar tespit edilen gezegenler arasında en yüksek dış merkezliliğe sahip.

Yeni gezegenin yörüngesi “geri” yönelimi açısından da benzersizdir. Güneşin dönüşüyle ​​aynı yönde dönen Dünya ve güneş sistemindeki diğer gezegenlerin aksine, yeni gezegen yıldızının dönüşüne ters bir yönde hareket eder.

Ekip, yörünge dinamikleri üzerine simülasyonlar yürüttü ve gezegenin oldukça eksantrik ve geri hareket eden yörüngesinin, “yüksek eksantriklikli göç” yoluyla sıcak bir Jüpiter’e dönüşmekte olduğunun işaretleri olduğunu buldu. Bu süreç, bir gezegenin yörüngesinin, çok daha geniş bir yörüngede bulunan başka bir yıldız veya gezegenle etkileşime girdikçe sallanması ve giderek küçülmesidir.

TIC 241249530 b durumunda, araştırmacılar gezegenin, bir yıldız ikili sisteminin parçası olarak, kendisi de ikincil bir yıldızın etrafında dönen birincil bir yıldızın etrafında döndüğünü belirlediler. Gezegenin ve yıldızının iki yörüngesi arasındaki etkileşimler, gezegenin zamanla yıldızına giderek daha yakın bir yere göç etmesine neden oldu.

Gezegenin yörüngesi şu anda eliptik bir şekle sahip ve gezegenin yıldızının etrafındaki turunu tamamlaması yaklaşık 167 gün sürüyor. Araştırmacılar, gezegenin 1 milyar yıl içinde çok daha sıkı, dairesel bir yörüngeye geçeceğini ve ardından yıldızının etrafında birkaç günde bir tur atacağını öngörüyor. O noktada gezegen tamamen sıcak bir Jüpiter’e dönüşmüş olacak.

MIT’nin Kavli Astrofizik ve Uzay Araştırmaları Enstitüsü’nde fizik yardımcı doçenti olan Sarah Millholland, “Bu yeni gezegen, yüksek eksantriklikli göçün sıcak Jüpiterlerin bir kısmını açıklayabileceği teorisini destekliyor” diyor.

“Bu gezegen oluştuğunda, soğuk bir dünya olduğunu düşünüyoruz. Ve dramatik yörünge dinamikleri nedeniyle, yaklaşık bir milyar yıl içinde birkaç bin kelvinlik sıcaklıklarla sıcak bir Jüpiter olacak. Yani başladığı yerden çok büyük bir değişim.”

‘Radikal mevsimler’

Yeni gezegen ilk olarak NASA’nın Geçişli Gezegen Araştırma Uydusu (TESS) tarafından alınan verilerde görüldü. TESS, MIT liderliğindeki bir görev olup yakınlardaki yıldızların parlaklığını izleyerek, yıldız ışığındaki “geçişleri” veya bir gezegenin önünden geçerek geçici olarak ışığını engellediğini gösteren kısa süreli düşüşleri tespit etmeyi amaçlıyor.

12 Ocak 2020’de TESS, TIC 241249530 yıldızının olası bir geçişini tespit etti. Gupta ve Penn State’teki meslektaşları, geçişin yıldızın önünden Jüpiter büyüklüğünde bir gezegenin geçmesiyle tutarlı olduğunu belirlediler. Daha sonra yıldızın radyal hızının diğer gözlemevlerinden ölçümlerini aldılar; bu, bir yıldızın yalpalamasını veya yıldızı kütleçekimsel olarak çekebilecek diğer yakın nesnelere yanıt olarak ileri geri hareket etme derecesini tahmin eder.

Bu ölçümler, Jüpiter büyüklüğünde bir gezegenin yıldızın yörüngesinde döndüğünü ve yörüngesinin son derece eksantrik olduğunu, gezegeni yıldıza çok yakınlaştırdıktan sonra çok uzağa fırlattığını doğruladı.

Bu tespitten önce, gökbilimciler yalnızca erken sıcak Jüpiter olduğu düşünülen bir başka gezegen, HD 80606 b’yi biliyorlardı. 2001’de keşfedilen bu gezegen, şimdiye kadar en yüksek dış merkezliliğe sahip olma rekorunu elinde tutuyordu.

Millholland, “Bu yeni gezegen, yörüngesi boyunca yıldız ışığında gerçekten dramatik değişimler yaşıyor,” diyor. “Yıldızın yakınından her geçtiğinde gerçekten radikal mevsimler ve tamamen kavrulmuş bir atmosfer olmalı.”

‘Yörüngelerin dansı’

Bir gezegen nasıl böylesine uç bir yörüngeye düşebilir? Ve eksantrikliği zaman içinde nasıl evrimleşebilir? Cevaplar için Im ve Millholland, gezegenin tarihi boyunca nasıl evrimleşmiş olabileceğini ve yüz milyonlarca yıl boyunca nasıl devam edebileceğini modellemek için gezegen yörünge dinamiklerinin simülasyonlarını çalıştırdı.

Ekip, gezegen, yıldızı ve ikinci yakın yıldız arasındaki kütle çekim etkileşimlerini modelledi. Gupta ve meslektaşları, iki yıldızın ikili bir sistemde birbirlerinin yörüngesinde dönerken, gezegenin aynı anda daha yakın yıldızın yörüngesinde döndüğünü gözlemlemişti. İki yörüngenin konfigürasyonu, bir sirk sanatçısının beline bir hula çemberi çevirirken bileğine ikinci bir hula çemberi döndürmesine benziyor.

Millholland ve Im, her biri farklı bir başlangıç ​​koşulu kümesine sahip birden fazla simülasyon çalıştırarak, birkaç milyar yıl boyunca ileriye doğru çalıştırıldığında Gupta’nın ekibinin günümüzde gözlemlediği gezegen ve yıldız yörüngelerinin yapılandırmasını hangi koşulun ürettiğini gördüler. Daha sonra, sistemin önümüzdeki birkaç milyar yıl içinde nasıl evrimleşeceğini tahmin etmek için en iyi eşleşmeyi daha da ileriye doğru çalıştırdılar.

Bu simülasyonlar, yeni gezegenin muhtemelen sıcak bir Jüpiter’e dönüşme sürecinin ortasında olduğunu ortaya koydu: Birkaç milyar yıl önce, gezegen, yıldızından uzakta, yoğunlaşıp şekil alabilecek kadar soğuk bir bölgede, soğuk bir Jüpiter olarak oluştu. Yeni oluşan gezegen, muhtemelen yıldızın etrafında dairesel bir yörüngede dönüyordu. Ancak bu geleneksel yörünge, yıldızın ikinci, ikili yıldızıyla uyumsuz yörüngesinden kaynaklanan kütleçekim kuvvetlerini deneyimledikçe, kademeli olarak uzadı ve eksantrik hale geldi.

Millholland, “Bu, gezegenin yörüngesindeki değişikliklerin çok büyük olması bakımından oldukça uç bir süreç,” diyor. “Bu, milyarlarca yıl boyunca gerçekleşen büyük bir yörünge dansı ve gezegen de bu yolculuğa katılıyor.”

Simülasyonlar, bir milyar yıl sonra gezegenin yörüngesinin yıldızının etrafında yakın ve dairesel bir yörüngede sabitleneceğini gösteriyor.

Millholland, “O zaman gezegen tam anlamıyla sıcak bir Jüpiter’e dönüşecek” diyor.

Ekibin gözlemleri, gezegenin evrimine ilişkin simülasyonlarıyla birlikte, sıcak Jüpiterlerin yüksek eksantriklikli göç yoluyla oluşabileceği teorisini destekliyor. Bu süreç, bir gezegenin zaman içinde yörüngesinde aşırı değişiklikler yaparak kademeli olarak yer değiştirmesi anlamına geliyor.

Millholland, “Sadece bundan değil, diğer istatistiksel çalışmalardan da anlaşılacağı üzere, yüksek eksantriklikli göç, sıcak Jüpiterlerin bir kısmını açıklıyor olmalı” diyor.

“Bu sistem, dış gezegenlerin ne kadar inanılmaz derecede çeşitli olabileceğini vurguluyor. Bunlar, nasıl bu hale geldiklerine ve nereye gittiklerine dair bir hikaye anlatan vahşi yörüngelere sahip olabilen gizemli diğer dünyalardır. Bu gezegen için, yolculuğu henüz tamamlanmadı.”

Bu hikaye MIT News’in izniyle yeniden yayınlanmıştır (web.mit.edu/newsoffice/), MIT araştırmaları, yenilikleri ve öğretimi hakkında haberleri kapsayan popüler bir site.