Luka Fultona (z ang. też small planet radius gap) po raz pierwszy została zauważona w 2013 roku. Opisuje ciekawą zależność. Mianowicie na ponad 4000 znanych nam egzoplanet krążących wokół gwiazd Drogi Mlecznej bardzo niewiele ma promień mieszczący się w zakresie od 1,5 do 2 promieni Ziemi.  

Dlaczego w naszej galaktyce jest tak niewiele planet akurat tej wielkości? Istnieje kilka możliwych wyjaśnień tej zagadki. Wiodąca teoria głosi, że egzoplanety początkowo uformowały się jako większe planety, ale z czasem skurczyły się z powodu utraty atmosfery. 

– Nadrzędną rzeczą jest zrozumienie, że planety nie są statycznymi kulami skał i gazu, jak moglibyśmy myśleć – mówi astrofizyk Trevor David z Flatiron Institute w Nowym Jorku, jeden z autorów badań. 

Jak badano egzoplanety

Aby zbadać wiarygodność tezy o kurczących się egzoplanetach, David wraz ze swoim zespołem badawczym postanowił przeprowadzić szczegółowe modelowanie komputerowe. Uwzględniono w nim wiek egzoplanet powstających w tym samym czasie co gwiazdy, wokół których krążą.  

Niezbędne informacje naukowcy zgromadzili dzięki California-Kepler Survey, projektowi mającemu na celu zbadanie dokładnych właściwości egzoplanet i ich gwiazd macierzystych. Te dane pozwoliły wytypować grupę egzoplanet o pożądanym zakresie wielkości – mniejszych niż dziesięciokrotność masy Ziemi.  

Następnie obliczono wiek towarzyszących im gwiazd na podstawie ich składu chemicznego i fluktuacji światła. Kolejnym krokiem było podzielenie systemów na dwie grupy – młodszą niż dwa miliardy lat i starszą. Dla porównania dodajmy, że Układ Słoneczny ma około 4,6 miliarda lat.  

Po przeprowadzeniu wszystkich tych uszeregowań naukowcy zauważyli interesującą zależność. Luka Fultona nie była całkowicie pusta, a jej zakres wydawał się zależny od wieku układów egzoplanetarnych. W przypadku młodszych układów zaobserwowano najmniej egzoplanet o wielkość ok. 1,6 promienia Ziemi. W przypadku starszych – w okolicach 1,8 promienia Ziemi.

To minineptuny, które straciły atmosferę  

Zespół badawczy uważa, że za lukę odpowiadają minineptuny – gazowe karły będące najpowszechniejszym rodzajem egzoplanet. Ich rozmiar mieści się w zakresie od 1,7 do 3,9 promienia Ziemi. Posiadają skaliste jądro i bardzo gęstą atmosferę. 

Zdaniem autorów badania niektóre minineptuny dramatycznie skurczyły się na przestrzeni miliardów lat, tracąc swoją atmosferę i ostatecznie pozostawiając po sobie tylko nagie rdzenie – coś, co my możemy zaobserwować jako egzoplanety.  

Nie wszystkie z tych gazowych karłów przechodzą jednak taką przemianę. Powyżej określonego punktu krytycznego minineptuny osiągają wystarczającą masę, aby utrzymywać atmosferę dzięki sile grawitacji. Fakt, że mniejsze minineptuny są podatne na utratę atmosfery, a większe nie, może wyjaśniać istnienie luki Fultona – uważają autorzy badania.  

Co powoduje zanikanie atmosfery?  

Choć nowa analiza może wyjaśniać istnienie luki, wciąż nie wiadomo, co powoduje straty w atmosferze minineptunów. Jedną z proponowanych wcześniej hipotez było uderzenie asteroidy lub meteorytu. Jedna biorąc pod uwagę, że obserwowany proces trwa miliardy lat, jest to mało prawdopodobne – zauważono w nowym badaniu. Deszcz meteorów lub zderzenie z asteroidą zniszczyłoby atmosferę w czasie znacznie krótszym. 

Warte rozważenia są dwa inne scenariusze. Pierwszym z nich jest fotoodparowanie, w którym bliskość między gwiazdą a planetą wystarcza, aby promieniowanie podgrzało atmosferę minineptuna i z czasem doprowadziło do jej odparowania i rozproszenia.    

Drugi możliwy scenariusz opiera się na ochłodzeniu rdzenia planety. W wyniku tego procesu ciepło uwalniane z jądra planetarnego mogłoby przedostawać się do atmosfery i ostatecznie doprowadzić do jej szybszej utraty.

Dwa wspomniane procesy zachodzą w różnych skalach czasowych, ale oba pasują do najnowszych obserwacji. Potrzeba kolejnych analiz, aby określić, który z nich może być bardziej prawdopodobny. Naukowcy nie wykluczają też, że może chodzić o połączenie efektów obu zjawisk.

Źródło: The Astronomical Journal

Komentarz profesora dr. hab. Leszka Czechowskiego (CBK PAN i IGF UW)

Aktualnie znamy ponad 4700 egzoplanet, z czego większość została odkryta za pomocą kosmicznego teleskopu Kepler wystrzelonego przez NASA. Planet pozasłonecznych znamy więc znacznie więcej niż skromne osiem planet krążących wokół Słońca. Nic dziwnego, że wśród egzoplanet mamy nowe rodzaje planet, których brakuje w Układzie Słonecznym.

Tutaj mamy dwie grupy planet: cztery niewielkie skaliste planety nazywane są grupą planet ziemskich i są to Merkury, Wenus, Ziemia i Mars. Są zbudowane ze skał krzemianowych otaczających żelazne jądro. Lotne substancje, jak gazy tworzące atmosferę i woda, stanowią niewielką część masy tych planet. Druga grupa to wielkie planety: Jowisz, Saturn, Uran i Neptun. Ich głównym składnikiem są właśnie lotne substancje. Te lotne substancje otaczają jądro o budowie podobnej do planet grupy ziemskiej.

Wśród egzoplanet odkryto szereg ciał nieco większych od Ziemi, a jednocześnie mniejszych niż Neptun. Takie planety często były w stanie przyciągnąć do siebie znaczne ilości lotnych substancji, z których powstawała rozległa, gęsta atmosfera. Ale te planety często nie są w stanie utrzymać tych atmosfer, zwłaszcza jeśli krążą blisko swojej gwiazdy.

Gwiazdy emitują energetyczne promieniowanie i wiatr słoneczny. Atmosfera planet bliskich gwiazdy zostaje rozgrzana, cząsteczki gazów lub pary wodnej są rozrywane i lekkie składniki uciekają w kosmos. Przez miliardy lat te procesy są w stanie pozbawić planetę dużej części jej masy. Pozostają wtedy jedynie ich skaliste jądra. W ten sposób planety takie są eliminowane.

Naszemu Neptunowi ten proces nie grozi. Jest daleko od Słońca i ma większą masę.  Taka sytuacja nie grozi również nam. Ziemska atmosfera jest chroniona od wiatru słonecznego przez pole magnetyczne Ziemi, a także częściowo uzupełniana przez wulkany. Starczy nam jej jeszcze na miliardy lat.