Rok na planecie WASP-103b trwa jeden dzień, ale nie to jest najciekawsze

O tym, że grawitacja potrafi wpływać na kształt obiektów w stopniu zauważalnym gołym okiem przekonać może się każdy, kto wybierze się w miejsce gdzie występują silne pływy morskie. Czyli zmiany poziomu wody na brzegach oceanów, które są wynikiem oddziaływania grawitacyjnego Ziemi i Słońca. Siła pływów zależy od wzajemnego ustawienia się Ziemi, Księżyca i Słońca, ale podlegają one także naturalnemu cyklowi związanemu z ruchem obrotowym Ziemi.

Pływy nie są takie same w każdym miejscu. Na Bałtyku są praktycznie niezauważalne, w wielu miejscach amplituda pływu na poziomie metra choć dostrzegalna może być zignorowana ze względu na ukształtowanie linii brzegowej. Tam gdzie pływy są najsilniejsze, różnica pomiędzy najmniejszym, a największym stanem oceanu może sięgać nawet kilkunastu metrów.

Wciąż jednak siły pływowe na Ziemi nie są na tyle silne, by poważnie wpływały na jej kształt jak i aktywność geologiczną. Księżyc jest za mało masywny, a Słońce za daleko. To, że Ziemia nie jest sferą, a geoidą (to również przybliżenie, które nie uwzględnia ukształtowania powierzchni), to konsekwencja jeszcze innych czynników, w tym ruchu obrotowego, jak i historii formowania się powierzchni planety oraz jej wnętrza.

W Układzie Słonecznym lokalne siły pływowe bardzo duże znaczenie mają w systemie Jowiszowym. Tam siły pływowe ze strony masywnego Jowisza były w stanie wywołać tarcia wewnątrz księżyców Galileuszowych i doprowadzić do silnej aktywności wulkanicznej na Io, czy zmian poziomu wszechoceanów pod warstwą lodu na innych.

Obserwacje wskazują też, że istotne jest tu zgranie się oddziaływań, dlatego być może wzajemne oddziaływanie księżyców Jowisza na siebie ma w przypadku systemu jowiszowego jeszcze większe znaczenie niż masa centralnej planety. To jednak inny temat.

Ciasne układy planeta-gwiazda dobrym miejscem do badań oddziaływań pływowych

Spróbujmy nie oddalać się od Słońca, a zbliżyć do niego. Co wtedy? Merkury jest dużo bliżej niż Ziemia, ale wciąż jako planeta skalista zachowuje kształt zbliżony do sfery. Jednakże oddziaływania grawitacyjne ze strony Słońca, przy jednocześnie bardzo wydłużonej orbicie Merkurego, i tak wpływają na jego własności, w tym silne naprężenia powierzchniowe.

Gdyby Merkury był jeszcze bliżej Słońca, a jeszcze lepiej gdyby był planetą gazową jak Jowisz, mógłby w końcu poddać się grawitacji. Musiałby być jednak bardzo blisko, prawie tak blisko jak niektóre komety, rozrywane przez grawitację Słońca w czasie bliskich przelotów.

Planeta krążąca wokół odległej gwiazdy wpływa na jego jasność przede wszystkim w chwili tranzytu, czyli gdy przemieszcza się przed jego tarczą. Spadek jasności w sytuacji, gdy następuje zaćmienie planety przez gwiazdę jest dużo mniejszy. Na obrazku przykład dla planety WASP-189b, którą obserwowano w 2020 roku

Takich ciasnych konfiguracji możemy szukać wśród układów z planetami pozasłonecznymi obserwowanych z pomocą techniki tranzytów. Obserwowany kształt krzywej zmiany jasności porównywany jest z modelem teoretycznym. Pozwala to wyznaczyć spodziewany rozmiar obiektu czy też okres orbitalny. W połączeniu z innymi obserwacjami możemy doprecyzować masę takiej planety. Jednak by określić w jakim stopniu kształt danej planety odbiega od sferycznego, potrzeba naprawdę bardzo precyzyjnych obserwacji.

Dotychczas tego typu próby kończyły się porażką, ale cierpliwość została wynagrodzona w przypadku gwiazdy WASP-103 (nieco masywniejsza i większa od Słońca), wokół której krąży dziesięć razy mniejsza od niej planeta gazowa WASP-103b, z okresem tylko jednego dnia. Obserwowano ja za pomocą teleskopu Cheops.

WASP-104b, czyli pierwsza w historii detekcja kształtu planety pozasłonecznej

Astronomowie połączyli dane obserwacyjne z teleskopu Spitzer oraz europejskiego obserwatorium kosmicznego Cheops, by uzyskać pierwszą w historii detekcję kształtu planety pozasłonecznej. Było to zresztą ogromnym zaskoczeniem dla prowadzących obserwacje naukowców, jak przyznał Jacques Laskar z Paryskiego Obserwatorium.

Planeta WASP-103b, odkryta została już w 2014 roku. Zgodnie z nowymi obserwacjami jest silnie spłaszczona, niczym piłka do rugby. I w zasadzie można byłoby temat zamknąć, gdyby nie kolejne tajemnice, które wynikły z nowych danych. 

Własności planety WASP-103b to: 1 dzień okresu orbitalnego, masa równa 1,5 masy Jowisza, rozmiar 2 razy większy niż rozmiar Jowisza, a temperatura powierzchniowa 20 razy większa

Wynika z nich, że rozkład materii wewnątrz planety WASP-103b jest podobny jak wewnątrz Jowisza. Oczywiście całość jest mocno spłaszczona, ale wewnętrzna struktura wygląda podobnie (warstwa chmur, warstwa płynna, sztywne jądro). Tyle, że planeta zdaje się być dwa razy większa niż Jowisz przy masie jedynie 1,5 masy naszego gazowego giganta. Nawet spłaszczenie wynikające z oddziaływania grawitacyjnego nie jest w stanie uzasadnić takiego napęcznienia planety. To pierwsze z pytań, na które naukowcy będą szukać odpowiedzi. Jedną z możliwości zdaniem Susany Baros z Uniwersytetu w Porto, jest grzanie ze strony macierzystej gwiazdy.

Druga tajemnica jest być może jeszcze bardziej intrygująca. Zgodnie z modelem ewolucyjnym planeta WASP-103b powinna stopniowo zawężać swoją orbitę wokół macierzystej gwiazdy. A tu mamy sytuację odwrotną, okres obiegowy rośnie, czyli planeta się oddala. To zdaniem astronomów oznacza, że siły pływowe nie muszą być w przypadku tego układu najistotniejsze. Być może są jeszcze inne czynniki, które wpływają na losy tego układu.

To drugie z pytań, które również domaga się odpowiedzi. Wciąż nie można bowiem wykluczyć sytuacji, w której wszystko dzieje się zgodnie z przewidywaniami, a tylko niedostateczna liczba obserwacji sugeruje coś odmiennego. Być może też dołączenie do układu dodatkowej gwiazdy byłoby rozwiązaniem.

Kto, a raczej co pomoże w odpowiedzi na te pytania? Pewnie już wiecie

W uzyskaniu odpowiedzi na postawione wcześniej pytania, czyli dlaczego planeta jest taka duża, a także jak to jest dokładnie z jej okresem orbitalnym, rośnie czy maleje, pomóc mogą dalsze obserwacje. Tutaj pomocny będzie nie tylko Cheops, ale także Webb, o którym jest bardzo głośno w ostatnich tygodniach.

Ten największy kosmiczny teleskop do obserwacji w podczerwieni pomoże nie tylko w odkrywaniu tajemnic wczesnego Wszechświata. Dzięki zdolności do detekcji bardzo słabych sygnałów i precyzyjnych pomiarów różnicowych, stanie się wymarzonym instrumentem dla badaczy planet pozazłonecznych.

Źródło: ESA