Vědci poprvé prozkoumali profil atmosféry cizí planety

Exoplaneta WASP-189b je moc horká na to, aby na ní existoval život. Přesto je objev chemicky a fyzikálně odlišných vrstev v její atmosféře fascinující. Co nás mohou naučit atmosféry exoplanet? 

To, že kolem hvězd obíhají planety, v dnešní době nikoho nepřekvapí, i když ještě před několika desítkami let byl tento fakt jen domněnkou. Pomocí stále lepších technologií se dnes vědci dozvídají další a další detaily o životech exoplanet. Některé jsou větší než Země, jiné jsou svou hmotností se Zemí srovnatelné.

Zajímavou skupinou jsou obří planety podobné Jupiteru. Některé se (podobně jako v našem vlastním systému) nacházejí v úctyhodné vzdálenosti od své centrální hvězdy, jiné jsou jí naopak velice blízko. A právě takové planety jsou pro vědce fascinující. Dá se u nich totiž poměrně jednoduše studovat jejich atmosféra. 

Švédští vědci nedávno zveřejnili výsledky průzkumu podobné planety, obíhající hvězdu WASP-189. 

Seznamte se: WASP-189

Hvězda s málo romantickým označením WASP-189 se nachází v souhvězdí Vah. Je o něco teplejší než naše Slunce, její povrchová teplota odpovídá 8000 ± 100 K. 

Její poloměr je větší než u Slunce - kolem 2,33 ± 0,12 poloměru naší vlastní hvězdy. Takže vás nejspíš neudiví, že i její svítivost je zhruba 1,23 vyšší. 

Zato její hvězdná metalicita odpovídá sluneční metalicitě.  

Metalicita

Pojem metalicita v astronomii vyjadřuje, jaký je v dané hvězdě nebo jiném systému obsah těžších prvků. Pojem metalicita evokuje, že se jedná jen o kovové prvky. Tak tomu ale není. Na rozdíl od chemiků považují astronomové za “kovy” všechny prvky, které jsou těžší než vodík a helium. 

Hvězdy s nízkou metalicitou vznikly v dřívější fázi vývoje vesmíru, kdy bylo „kovu“ (tak jak jej chápe astrofyzika), jen velice málo.

Hvězdy s vysokou metalicitou vznikly později z "popelu" dřívějších generací hvězd. Tento “popel” byl už logicky obohacený o prvky těžší než vodík a helium. 

Pokud tedy zmiňovaná hvězda WASP-189 vykazuje podobnou metalicitu jako Slunce, patří do stejné věkové kategorie - alespoň co se týče vývoje ve vesmíru. 

Skutečný osobní věk této hvězdy je ale nižší než u Slunce. Měla by být mladší než jednu miliardu roků - přesněji kolem 0,855 ± 0,080 miliardy let. 

Tato hvězda je od nás vzdálená zhruba 99 parseků, což odpovídá 323 světelným rokům. 

Planeta WASP-189b

Výše zmiňovaná obří planeta, podobná Jupiteru, obíhá kolem své hvězdy na polární dráze. Pro srovnání - v našem vlastním systému obíhají planety v rovině pomyslného rovníku.

Naznačuje to, že při vývoji planetárního systému došlo k nějakému katastrofickému scénáři. Obří plynné planety se tvoří daleko od své hvězdy - za tzv. sněžnou hranicí. 

Sněžná hranice, sněžná čára…

… odděluje při formování planet oblast, kde se tvoří vnitřní a kamenné planety od oblasti, kde kondenzuje plyn a mohou se tu tedy tvořit obří plynné planety. Sněžná hranice se nachází v každém hvězdném systému jinde. Její poloha závisí na intenzitě záření hvězdy, průhlednosti disku z plynu a prachu, logicky také na hustotě zmiňovaného disku. Teplota se tu pohybuje od 145  do 170 K. 

Pokud se tedy obří planeta nachází velice blízko své hvězdy, je jasné, že se sem dostala následkem nějakých zvláštních jevů, zpravidla může jít o interakci s jinou obří planetou. Ve slunečním systému k podobné katastrofě nedošlo, protože se vnější obří planety vzájemně gravitačně stabilizovaly a zůstaly ve větší vzdálenosti od Slunce. 

V systému WASP-189 nejspíš nemá cenu hledat malé kamenné exoplanety. Jejich oběžné dráhy se musely během spiralizace exo-Jupiteru k centrální hvězdě destabilizovat. Přesto je tento systém zajímavý - právě blízkostí obří planety ke hvězdě. Dochází tu totiž k periodickým zákrytům hvězdy. Planeta WASP-189b přechází (při pohledu ze Země) přes hvězdný disk a vždy ho přitom trochu zastíní. Z kolísání jasnosti systému se dají logicky odvodit parametry hvězdy i planety. To ale není všechno. Pozorování s vysokým rozlišením dnes dovoluje zjistit také parametry … planetární atmosféry. 

Exo-Jupiter WASP-189b má hmotnost, která odpovídá 2,13 ± 0,28 hmotnosti našeho Jupiteru. Vědci odhadli teplotu jeho atmosféry na 2641 ± 34 K. To byla v době objevu (2018) třetí nejvyšší planetární teplota. Teplejší byli už jen jeho kolegové KELT-9b (4050 ± 180 K) a WASP-33b (2710 ± 50 K). 

Dá se vycházet z toho, že se planeta WASP-189b nachází na dráze, která je nestabilní a dříve nebo později tedy skončí uvnitř mateřské hvězdy. Ale i kdyby byla její oběžná dráha momentálně stabilní, moc jí to nepomůže. Centrální hvězda tohoto systému se (díky svému přirozenému vývoji) aktuálně rozpíná a zvětšuje svůj objem. Během 320 miliónů roků by se její povrch měl dostat až do oblasti, ve které se dnes nachází naše hlavní hrdinka, exoplaneta WASP-189b. 

Máme tedy štěstí - nejen že se systém WASP-189 jeví při pohledu ze Země jako zákrytový, pozorování její atmosféry by mělo být možné ještě několik miliónů roků. 

V době objevu se mimochodem jednalo o nejjasnější zákrytovou exoplanetu typu Jupiteru. 

Atmosféra planety WASP-189b

Atmosféra na naší vlastní planetě není homogenní ani co do teploty, ani co se týká jejího složení. 

Zjednodušeně se dá říci, že teplota atmosféry klesá s rostoucí výškou nad povrchem planety, pokud v ní neexistuje látka, která by absorbovala záření a způsobovala tedy teplotní inverzi. V pozemské atmosféře hraje tuto roli například ozón. 

V atmosféře horkého Jupiteru WASP-189b by se mohly odehrávat podobné jevy, odhadovali vědci. 

Absorbérem tu ovšem nebude ozón, ale spíše oxidy kovů - přesněji oxidy titanu a vanadu. 

Dřívější měření bohužel existenci těchto oxidů neprokázala ani nevyloučila. 

Švédští vědci nyní v atmosféře vzdálené exoplanety jednoznačně detekovali oxidy titanu, tedy komponentu, která může hrát podobnou roli, jakou připisujeme ozónové vrstvě. 

Kromě toho se v atmosféře WASP-189b mají nacházet atomy neutrálního ale také ionizovaného železa, titanu, chromu, hořčíku, vanadu a manganu. 

To neudivuje. Vědce ovšem nadchlo prostorové uspořádání těchto komponent. Podařilo se jim totiž prokázat, že atmosféra vzdálené exoplanety není homogenní (podobně jako není homogenní ani pozemská atmosféra). Nachází se v ní několik vrstev, ve kterých jsou jednotlivé prvky zastoupeny v různých koncentracích. 

Vědci už dávno předpokládali, že se atmosféry cizích planet budou chovat podobně jako naše vlastní atmosféra - a budou tedy vykazovat i rozdělení do specifických vrstev. Tentokrát se to ovšem povedlo dokázat díky přímému pozorování atmosféry dané exoplanety. 

Tím se otevírají dveře pro další průzkum. Dá se očekávat, že v atmosférách cizích planet probíhají různé komplikované jevy, že v nich mezi sebou interagují prostorově odlišené vrstvy. Můžeme se těšit na velké množství budoucích objevů - které možná lépe vysvětlí také dění v naší vlastní atmosféře. 

Jedno je totiž jisté - atmosférické jevy nejsou triviální. A už vůbec se nedají zjednodušit na pouhý vztah teploty a koncentrace libovolného prvku, tak jak se o to poslední dobou snaží různí aktivisté nebo zainteresovaní vědci … u naší vlastní planety.