Mateřské hvězdy formují své planetární soustavy do dvou skupin

Tým astronomů objevil komplexní souvislost mezi uspořádáním planetárních soustav a jejich mateřskými hvězdami. Autoři ji popisují jako „genetické pouto“ mezi velikostí a metalicitou (obsahem prvků těžších než helium) mateřské hvězdy na jedné straně a typem planet i jejich rozmístěním na straně druhé. Mateřská hvězda totiž zásadně ovlivňuje vznik, dynamický vývoj i budoucí stabilitu celé planetární soustavy.

Éra výzkumu exoplanet se začala formovat s misí Kepler a nabrala na obrátkách díky misi TESS. Původní cíl byl prostý: pomocí tranzitní metody vyhledávat planety obíhající kolem jiných hvězd. Vědci však šli mnohem dál – s využitím celé řady dostupných nástrojů se jim podařilo určit složení exoplanet i další jejich vlastnosti.

Dnes se výzkum exoplanet posouvá za hranice těchto počátečních fází. Planetologové se snaží pochopit nejen obrovskou rozmanitost samotných exoplanet, ale také různé typy planetárních soustav, které se jim daří objevovat.

V 90. letech 20. století se astronomové domnívali, že naše Sluneční soustava je jakousi šablonou, kde hmotné planety jsou dále od svých hvězd, zatímco méně hmotné jsou blíže. Tato myšlenka upadla v nemilost, protože pozorování exoplanet nám ukazují, že to není pravda.

Objevily se další myšlenky o architektuře Sluneční soustavy. Jedna představa byla, že obří planety na excentrických drahách jsou připisovány rozptylu planet, a další byla myšlenka, že výskyt obřích planet stoupá s metalicitou hvězd. Důležitá myšlenka „hrachu v lusku“ byla prezentována v článku z roku 2018.

Článek z roku 2020 byl však obzvláště důležitý, protože představil způsob, jak porovnat, jak bouřlivé jsou dynamické historie různých planetárních soustav. Zavedl koncept normalizovaného deficitu momentu hybnosti (normalized angular momentum deficit – NAMD). NAMD porovnává kombinovaný orbitální moment hybnosti systému s momentem hybnosti hypotetického systému se stejnými hmotnostmi planet a orbitálními charakteristikami. Vzhledem k tomu, že nakloněné nebo excentrické dráhy nesou menší moment hybnosti, větší NAMD znamená žhavější systém nebo systém s bouřlivější historií interakcí.

Hlavní autor zmíněné studie je zároveň jedním z autorů nového výzkumu, který s využitím softwaru NAMD odhaluje souvislost mezi mateřskou hvězdou a uspořádáním planetární soustavy.

Tento nový výzkum, publikovaný v časopise Nature Astronomy, vychází z poznatků o mateřských hvězdách a o tom, jakým způsobem formují své planetární soustavy. Studie nese název „Dvě rodiny víceplanetárních systémů s odlišnou architekturou a mateřskými hvězdami“ a má dva hlavní autory. Jedním z nich je Diego Turrini, astrofyzik a planetolog z italského Národního institutu pro astrofyziku (INAF). Druhou autorkou je Camilla Danielskiová, výzkumnice na Valencijské univerzitě, která dříve působila v INAF jako postdoktorandka.

„Základní otázka, od níž jsme se odrazili, zněla: co určuje vlastnosti planetárních soustav tak, jak je vidíme dnes?“ – říká Diego Turrini, INAF.

„Rychle rostoucí seznam známých exoplanet nyní zahrnuje více než tisíc systémů s více planetami. Tyto systémy vykazují rozmanité uspořádání, přičemž jejich hmotnosti se liší v rozsahu více než čtyř řádů a měřítka oběžných drah v rozsahu pěti řádů,“ uvádějí autoři. „Vysvětlení původu této pozoruhodné rozmanitosti zůstává klíčovou výzvou pro teorii vzniku planet. Situaci navíc komplikují pozorovací zkreslení, která omezují naše možnosti zkoumat systémy podobné Sluneční soustavě.“

Astronomové znají v Mléčné dráze více než 1 000 systémů s více exoplanetami; v této studii se vědci zaměřili na 300 z nich. Právě těchto 300 systémů je z celkového počtu nejlépe prozkoumaných a nejlépe popsaných. Výzkumníci zjistili, že je lze rozdělit do dvou odlišných skupin a že mateřská hvězda ovlivňuje podobu systému hned několika způsoby.

„Zjišťujeme jasnou bimodalitu v hmotnostech systémů, která rozděluje známé architektury do dvou odlišných skupin,“ uvádějí autoři. Jednu z nich označují jako skupinu s nižší hmotností; tyto systémy obíhají kolem hvězd, jejichž hmotnost je rovna hmotnosti Slunce nebo je nižší. Podle autorů se tyto systémy vyznačují „velmi těsným uspořádáním, přičemž rozložení hmotností odpovídá modelu ‚hrášků v lusku‘“. To znamená, že sousední planety mají podobnou velikost i hmotnost. Tyto systémy se rovněž vyznačují „dynamickým vybuzením srovnatelným se Sluneční soustavou,“ píší autoři. Jde o míru výstřednosti (excentricity) a sklonu drah – ve Sluneční soustavě je excentricita drah nízká a většina planet nemá dráhy výrazně skloněné. To naznačuje, že tyto systémy prošly méně bouřlivým dynamickým vývojem; označují se proto jako „chladné“ systémy.

Druhá skupina zahrnuje planety na vzdálenějších drahách, jejichž celková hmotnost dosahuje dvojnásobku až desetinásobku hmotnosti planet Sluneční soustavy.

„Naproti tomu rodina exoplanet s vysokou hmotností se tvoří v prostředí bohatém na kovy kolem hvězd sluneční až supersolární velikosti, vykazuje gravitačně kompaktní architekturu a je o řád dynamicky teplejší než Sluneční soustava i její protějšky s nižší hmotností,“ píší autoři. V této souvislosti „teplejší“ znamená, že exoplanety mají více nakloněné a excentričtější oběžné dráhy. „Jejich vysoká úroveň dynamické excitace ukazuje na násilné evoluční dráhy řízené globálními nestabilitami a rozptylem planet,“ vysvětlují vědci. Tyto systémy se nazývají „horké“.

Obrázek vpravo znázorňuje normalizovaný deficit momentu hybnosti (NAMD) systému, jeho normalizovanou hmotnost (normalized system mass – NSM) a oběžnou dobu vnějších planet (Pout). Šedá tečkovaná vodorovná čára představuje Sluneční soustavu. „Systémy s vysokou hmotností jsou vždy zhruba o řád více ‚vybuzené‘ než systémy s nižší hmotností či naše Sluneční soustava, což naznačuje bouřlivý dynamický vývoj formovaný nestabilitami a vzájemnými gravitačními interakcemi mezi planetami,“ uvádějí autoři.

„Hlavní obtíž při analýze dat spočívala v určení, zda jsou tyto dvě skupiny planetárních systémů skutečné, nebo zda jde pouze o iluzi způsobenou technologickými limity současných pozorovacích metod,“ dodal Danielski. „Nakonec se ukázalo, že výběrové efekty představovaly jen špičku ledovce a odhalily existenci mnohem hlubších strukturálních rozdílů mezi těmito systémy.“

Výzkumníci odhalili jasnou souvislost mezi hvězdami v jednotlivých typech systémů a planetami, které se v nich nacházejí.

„Odlišné architektonické rysy skupin multiplanetárních systémů s vysokou a nízkou hmotností lze vysvětlit vzájemným působením mezi procesem vzniku planet a rozdílnými vlastnostmi jejich mateřských hvězd,“ uvádějí autoři. „Systémy s nižší hmotností vznikají v prostředích podobných tomu, v němž se zformovala Sluneční soustava,“ přičemž jsou obzvláště závislé na metalicitě a hmotnosti mateřské hvězdy.

„Systémy s vysokou hmotností naopak vznikají v prostředích, která jsou v průměru třikrát bohatší na plyn a pevné látky,“ píší autoři. To vytváří podmínky, za nichž je růst planet efektivnějším procesem než jejich migrace.

„Scénáře, které nejlépe odpovídají dynamickým vlastnostem skupiny rozsáhlých a hmotných systémů, jsou ty, v nichž jsou systémy nestabilní již od svého vzniku,“ zdůrazňuje spoluautorka studie Danae Polychroniová, výzkumnice z institutu INAF. „Větší množství materiálu, z něhož se planety kolem mateřských hvězd formují, vede k tomu, že planety vznikají příliš velké, což znemožňuje, aby systém zůstal stabilní.“

Zajímavé je, že obě skupiny systémů vykazují společné vlastnosti, které se liší od Sluneční soustavy. Uspořádání obou skupin je méně kompaktní než v případě vnější části naší planetární soustavy, avšak kompaktnější než v její vnitřní části.

V počátcích výzkumu exoplanet vědci předpokládali, že Sluneční soustava představuje vzor pro všechny ostatní planetární systémy. Vzhledem k tomu, že jsme tehdy žádné jiné systémy nepozorovali, šlo o víceméně rozumný předpoklad. Dnes však díky rozsáhlému výzkumu – včetně této studie – víme, že tomu tak není. Tato práce nahrazuje původní představu novým modelem, který vychází ze souvislostí mezi mateřskou hvězdou a uspořádáním daného systému.

„Odlišné architektonické rysy skupin víceplanetárních systémů s vysokou či nízkou hmotností a jejich souvislost s rozličnými vlastnostmi hvězd ukazují, jak je důležité brát v úvahu ‚genetickou‘ vazbu mezi hvězdou a planetami, namísto toho, abychom Slunce a Sluneční soustavu považovali za univerzální vzor,“ uvádějí vědci ve svém závěru.

„Základní otázka, od níž jsme vyšli, zněla: co určuje charakteristiky planetárních systémů tak, jak je vidíme dnes? Jsou dány již při jejich vzniku, nebo jsou postupem času formovány vývojem? Ukázalo se, že pravda leží někde uprostřed,“ vysvětlil Turrini v tiskové zprávě. „Naše výsledky ukazují, že mezi planetárními systémy a jejich hvězdami existuje genetická vazba a že tato vazba – v závislosti na tom, kolem jaké hvězdy planety vznikají – rovněž předurčuje jejich osud.“

Zdroj: https://www.universetoday.com/articles/host-stars-shape-their-planetary-systems-into-two-families

autor: František Martinek