Kepler-36 menunjukkan bahwa sistem planet kurang dapat diprediksi dari yang kita duga

Kolaborasi dengan Brandon Weigel

Pada tahun-tahun awal eksoplanetologi, para astronom hanya mengetahui satu sistem multi-planet: Tata Surya. Mereka memiliki simulasi dan model, tentu saja, tetapi sepanjang 1990-an, teori di balik model-model itu didasarkan terutama pada sistem planet kita sendiri. Meskipun tanpa titik data lain, tampaknya, asumsi yang masuk akal bahwa sebagian besar sistem exoplanetary lainnya terstruktur seperti milik kita: seperangkat planet terestrial yang mengorbit dekat dengan bintang induknya, dengan planet raksasa mirip dengan Jupiter dan Saturnus yang mengorbit lebih jauh.

Paradigma ini mulai runtuh pada pertengahan 1990-an, ketika penemuan Jupiter 51 Pegasi b yang panas mengubah kebijaksanaan konvensional di atas kepalanya. Raksasa gas masif seharusnya tidak mengorbit yang dekat dengan bintang inangnya! Perlahan tapi pasti, banyak asumsi kami tentang struktur sistem planet telah terbukti benar-benar salah, karena kami menemukan contoh tandingan terhadap gagasan-gagasan lama tentang pembentukan planet.

Berkat teleskop ruang angkasa Kepler, kita tahu sistem multi-planet seperti Kepler-62, yang memiliki lima exoplanet yang dikonfirmasi. Meskipun demikian, sistem ini pun tidak terlalu misterius - dibandingkan dengan yang lain yang kami temukan. Kredit gambar: NASA

Salah satu kejutan terbaru mengorbit bintang besar Kepler-36. Ini bukan satu planet, tetapi dua - planet ekstrasurya bernama Kepler-36b dan Kepler-36c, dengan sumbu semi-mayor 0,115 AU dan 0,128 AU. Ini berarti kedua exoplanet tersebut dikemas sangat berdekatan. Ini sendiri tidak terlalu aneh; apa yang aneh adalah bahwa kedua planet harus cukup sama, berasal dari area yang sama dari disk protoplanet - tetapi tidak sama. Yang satu adalah planet terestrial yang padat dan menyerupai Bumi, sedangkan yang lainnya adalah mini-Neptunus dengan amplop gas hidrogen dan helium.

Jadi bagaimana dua exoplanet yang berbeda bentuk di tempat yang sama? Itu pertanyaan yang bagus - dan jawabannya ternyata sangat penting untuk pemahaman kita tentang mengapa planet ekstrasurya sangat beragam. Dengan Brandon Weigel, minggu ini saya sedang menggali mengapa sistem planet di alam semesta lebih bervariasi dari yang kita kira.

Sulit menemukan sistem multi-keuangan!

Kepler hanya mensurvei sebagian kecil galaksi, tetapi masih menemukan ribuan exoplanet.

Selama misinya selama sembilan tahun, teleskop ruang angkasa Kepler memantau lebih dari setengah juta bintang di dekat Matahari. Kepler menggunakan metode transit untuk mendeteksi planet ekstrasurya. Itu mencari penurunan kecil dalam kecerahan bintang. Jika kemiringan itu terulang secara teratur, itu adalah bukti kuat bahwa itu disebabkan oleh sebuah planet ekstrasurya yang melintasi orbit antara Kepler dan bintang. Biasanya, menyisir data untuk kandidat planet ekstrasurya sesederhana mencari dips yang memiliki periode jelas; Anda melihat setiap celah yang diatur di antara transit.

Namun, untuk bintang dengan banyak exoplanet transit, semuanya menjadi rumit. Sistem ini biasanya menghasilkan kurva cahaya bercampur yang dapat dengan mudah disalahartikan sebagai fenomena lain, seperti bintang-bintang - atau transit dapat dilewatkan sama sekali. Dalam kasus Kepler-36, ada masalah tambahan. Kedua exoplanet cukup dekat satu sama lain, sehingga mereka menghasilkan variasi waktu transit, atau TTV - perubahan dalam waktu yang diharapkan dari transit yang disebabkan oleh tarikan gravitasi timbal balik mereka.

Gambar 1, Carter et al. 2012. Kurva cahaya mentah yang dihasilkan oleh teleskop (atas) terlihat penuh dengan penurunan acak, tetapi ada sesuatu yang jelas non-acak di tempat kerja: dua exoplanet transit, Kepler-36b (kiri bawah) dan Kepler-36c (kanan bawah).

Awalnya, algoritma pencarian yang digunakan oleh Kepler benar-benar ketinggalan Kepler-36b, yang menghasilkan penurunan hanya sekitar 17% sekuat yang disebabkan oleh Kepler-36c. Algoritma kedua, yang memperhitungkan TTV potensial, akhirnya menangkapnya, mengungkapkan sistem yang jauh lebih kaya daripada yang diperkirakan para astronom (Carter et al. 2012). Bahkan, TTV itu, jauh dari ancaman, akhirnya menjadi harta karun informasi. Biasanya, transit oleh satu-satunya planet ekstrasurya hanya menghasilkan estimasi radiusnya, tetapi TTV memungkinkan tim untuk memodelkan gaya gravitasi antara planet-planet untuk massa percobaan yang berbeda - dan karenanya mendapatkan massa aktualnya, yang pada gilirannya memberikan jendela ke dalam planet ekstrasurya tersebut. 'komposisi.

Pengamatan awal mengungkapkan massa 4,45 dan 8,08 massa Bumi untuk Kepler-36b dan Kepler-36c, masing-masing, dan jari-jari yang sesuai dari jari-jari Bumi 1,486 dan 3,679. Sebuah perhitungan sederhana mengungkapkan kerapatan 7,46 gram per sentimeter kubik - sedikit lebih padat dari Bumi - dan 0,89 gram per sentimeter kubik, yang dekat dengan Saturnus. Implikasinya jelas: Kepler-36b adalah dunia berbatu dengan inti yang kaya zat besi, sementara Kepler-36c kaya akan volatil dan berpegang pada atmosfer yang sebagian besar terdiri dari hidrogen dan helium.

Gambar 3, Carter et al. 2012. Memetakan titik data pada bagan jari-jari menunjukkan bahwa Kepler-36b, dekat bagian bawah, adalah dunia yang berbatu-batu, sedangkan Kepler-36c, di dekat bagian atas, berbentuk gas.

Ini mengejutkan. Meskipun hanya mengorbit 0,01 AU dari satu sama lain, dunia batin hampir sembilan kali lebih padat dari teman luarnya. Model tradisional pembentukan sistem planet memprediksi bahwa ketidaksesuaian yang luar biasa ini seharusnya tidak mungkin terjadi. Kedua exoplanet harus sangat mirip satu sama lain. Namun data tersebut menceritakan kisah yang berbeda.

Solusi primordial untuk masalah primordial

Para astronom tidak sepenuhnya terperangah oleh teka-teki itu. Carter et al. secara singkat mempertimbangkan dua solusi yang mungkin untuk masalah ini: migrasi atau erosi atmosfer. Hipotesis migrasi, yang awalnya dikembangkan untuk menjelaskan penempatan Jupiters panas yang tidak terduga, menunjukkan bahwa exoplanet yang tertanam dalam disk protoplanet dapat bergerak secara dramatis dari daerah luar ke orbit dekat di sekitar bintang. Ini dapat dipicu oleh interaksi pasang surut dengan disk atau gangguan dengan planet lain. Dalam skenario ini, Kepler-36c akan terbentuk jauh di luar, di mana ia bertambah volatil dan amplop hidrogen / helium yang substansial, sebelum didorong ke orbit yang ketat di sekitar bintang inangnya.

Lopez & Fortney 2013 tertarik untuk mengeksplorasi kemungkinan kedua. Protoplanet dari segala bentuk dan ukuran dapat menghasilkan amplop besar hidrogen dan helium selama kehidupan awal mereka, tetapi planet kecil, bermassa rendah dekat dengan bintang inangnya sering kehilangan atmosfer ini, mempertahankan gas berat seperti oksigen dan nitrogen. Radiasi ultraviolet ekstrim (XUV) mengionisasi gas di atmosfer atas dan memanaskannya; efek ini - disebut photoevaporation - lebih jelas pada molekul yang lebih ringan, seperti hidrogen dan helium, dan karena itu benda yang mengalami fluks XUV tinggi cenderung kehilangan gas-gas ini dengan cukup cepat.

Gambar 2, Lopez & Fortney 2013. Para astronom menjalankan 6000 simulasi untuk berbagai massa inti, fluks, komposisi, dan inertias termal dalam upaya untuk menjelaskan sistem Kepler-36.

Namun, Kepler-36b dan Kepler-36c cukup berdekatan, dan jika migrasi tidak terjadi, mereka seharusnya menerima jumlah fluks XUV yang sama. Lalu, apa yang dapat menyebabkan seseorang kehilangan sebagian besar atmosfernya? Lopez dan Fortney menyarankan bahwa satu kondisi awal yang sederhana bisa berbeda: massa inti. Mungkin saja Kepler-36b awalnya dimulai sebagai protoplanet yang sedikit lebih masif dari tetangganya, yang berarti ia memiliki kecepatan lepas yang lebih rendah, dan karenanya lebih mudah baginya untuk kehilangan gas.

Para ahli teori memutuskan untuk menguji ini. Mereka mensimulasikan set besar model planet ekstrasurya, yang mencakup berbagai massa inti dan komposisi. Setelah mensimulasikan kehilangan fotoevaporative selama 7 miliar tahun - usia sistem - mereka menemukan parameter yang mereproduksi properti turunan planet ekstrasurya. Kepler-36b dimulai dengan massa inti 4,45 massa Bumi - kira-kira sama dengan massa sekarang - dan kehilangan sejumlah dramatis hidrogen dan helium selama 100 juta tahun pertama. Setelah dua miliar tahun, amplop hidrogen / heliumnya benar-benar hilang.

Gambar 1, Lopez & Fortney 2013. Kepler-36b dan Kepler-36c, saat memulai dengan komposisi yang sama, berevolusi dengan cara yang sangat berbeda dalam seratus juta tahun pertama pembentukannya.

Kepler-36c, di sisi lain, mempertahankan sejumlah besar amplopnya setelah dimulai dengan massa inti 7,4 massa Bumi. Ini juga kehilangan massa berkat fotoevaporasi, tetapi jauh lebih lambat, dan tidak sedramatis itu. Ini membiarkannya berakhir sebagai objek mirip Neptunus dengan atmosfer hidrogen / helium, jauh berbeda dari tetangganya. Bahkan jika kedua planet dimulai dengan komposisi yang sama - 22% hidrogen dan helium - perbedaan massa inti sudah cukup untuk mengirim mereka pada dua jalur yang sama sekali berbeda.

Apa artinya ini bagi exoplanetology?

Hipotesis massa inti sangat menggoda. Jika benar, itu berarti bahwa keacakan dalam disk protoplanet dapat secara alami membentuk sistem dengan berbagai cara. Ini menghilangkan kebutuhan untuk migrasi - proses yang rumit - untuk menjelaskan perbedaan jenis kepadatan ini. Akhirnya, itu harus dimungkinkan dalam sistem protoplanet apa pun - yang beruntung, karena kontras kepadatan aneh yang sama telah diamati pada pasangan exoplanet lainnya (lihat Kipping et al. 2014). Saat ini, mungkin merupakan pelopor untuk menjelaskan sistem Kepler-36.

Terlepas dari mekanisme di balik pasangan eksoplanet yang aneh ini, mereka menunjukkan bahwa sistem eksoplanet yang sangat beragam dapat eksis. Saya tidak bermaksud mengatakan bahwa kombinasi massa, komposisi, dan orbit apa pun bisa ada, tetapi kita harus tetap berharap untuk menemukan sistem eksotis yang tidak akan keluar dari tempatnya, misalnya, Star Wars. Tidak akan mustahil bagi spesies yang hidup di dunia hutan untuk naik pesawat ruang angkasa dan melakukan perjalanan ke raksasa gas kecil terdekat dalam beberapa bulan.

Masih tertarik dengan sistem eksotis macam apa yang saya bicarakan? Brandon Weigel menulis artikel yang luar biasa tentang planet ekstrasurya yang mungkin Anda temukan - dunia lautan, planet besi, dan banyak lagi. Saksikan berikut ini!