Znanstvenici otkrili dvije obitelji planetarnih sustava u Mliječnoj stazi

Međunarodni tim predvođen Talijanskim nacionalnim institutom za astrofiziku (INAF) objavio je u časopisu Nature Astronomy studiju koja prvi put pokazuje pravu genetsku vezu između matične zvijezde i planeta koji oko nje nastaju. Ta veza, tvrde autori, ne određuje samo kako sustav izgleda danas, nego i njegovu sudbinu — hoće li ostati stabilan milijardama godina ili će ga razderati sudari i izbacivanja planeta.

Prvu obitelj čine široki, masivni sustavi, čija ukupna masa planeta često iznosi između dvostruke i deseterostruke mase Sunčeva sustava. Oni kruže oko zvijezda masivnijih i bogatijih metalima od našeg Sunca. Drugu obitelj čine kompaktni sustavi manje mase, u kojima planeti imaju slične mase i veličine — konfiguracija koju istraživači zovu „grašak u mahuni”. Ti planeti kruže oko zvijezda čija masa i metalnost ne premašuju Sunčeve, i to najčešće na udaljenostima znatno manjim od Merkurove od Sunca.

Dvije obitelji, dva različita nasilja

Ključna razlika leži u takozvanoj dinamičkoj temperaturi. Sustavi iz prve obitelji imaju visoku dinamičku temperaturu, parametar koji mjeri odstupanje sustava od mirne konfiguracije u kojoj svi planeti kruže kružnim putanjama u istoj ravnini. Visoka vrijednost tog parametra ostavlja trag prošlosti obilježene gravitacijskim nestabilnostima, sudarima divova i izbacivanjem planeta iz sustava. Članovi druge obitelji nose tragove mirnije povijesti, bliže onoj našeg Sunčeva sustava.

„Temeljno pitanje od kojeg smo krenuli bilo je: što određuje karakteristike planetarnih sustava kakve danas vidimo? Jesu li određene pri rođenju ili ih oblikuje evolucija tijekom vremena? Ispostavilo se da je istina negdje u sredini”, rekao je Diego Turrini, istraživač INAF-a i jedan od prvih autora rada. „Naši rezultati pokazuju da postoji genetska veza između planetarnih sustava i njihovih zvijezda te da, ovisno o zvijezdi oko koje nastaju, ta veza određuje i njihovu sudbinu.”

I male razlike u okruženju nastanka planeta, uzrokovane različitim svojstvima zvijezda, mogu radikalno promijeniti prirodu sustava koji nastaje i njegov budući razvoj — hoće li proći kroz faze izrazite nestabilnosti i velikih sudara ili ne.

Selekcijski efekti kao vrh sante leda

Glavna poteškoća u analizi bila je utvrditi jesu li dvije obitelji stvarne ili ih stvaraju samo tehnološki limiti postojećih metoda promatranja. „Na kraju je postalo jasno da su selekcijski efekti djelovali kao vrh sante leda, otkrivajući postojanje mnogo dubljih strukturnih razlika među tim sustavima”, dodala je Camilla Danielski sa Sveučilišta u Valenciji, bivša poslijedoktorandica INAF-a i suautorica rada.

Numeričke simulacije pokazale su da scenariji koji najbolje reproduciraju dinamička svojstva širokih i masivnih sustava pretpostavljaju da su ti sustavi nestabilni od samog rođenja. „Veća količina materijala od kojeg planeti nastaju oko svojih zvijezda čini da se rađaju preveliki, što sustavu onemogućuje da ostane stabilan”, objasnila je Danae Polychroni, istraživačica INAF-a koja je nadzirala taj dio studije.

Otkriće ima konkretnu posljedicu: razumijevanje te veze ključno je za usmjeravanje potrage za planetarnim arhitekturama sličnim Sunčevu sustavu i za planetima koji bi mogli biti nastanjivi poput Zemlje. Ako masivne zvijezde bogate metalima gotovo redovito rađaju kaotične sustave u kojima planeti lete jedni na druge, onda se nade u pronalazak drugog „doma” ne mogu polagati u bilo koju zvijezdu.

Što se o nama govori kroz tuđe sustave

Ovdje je zanimljivo zastati. Naš Sunčev sustav, s četiri kamena planeta blizu i četiri plinovita diva dalje, ne uklapa se savršeno ni u jednu od dvije opisane obitelji. Sunce je zvijezda srednje mase i metalnosti, a naši planeti nisu ni „grašak u mahuni” ni masivni divovi u širokim orbitama. Taj nesklad autori ne rješavaju, a pitanje koje studija ostavlja otvorenim glasi: koliko je Sunčev sustav zapravo tipičan, a koliko je izuzetak koji je preživio zahvaljujući nizu slučajnosti?

Studija se oslanja na uzorak od 300 sustava izdvojenih iz više od 1000 poznatih u Mliječnoj stazi. To je solidan, ali još uvijek ograničen uzorak — velik dio galaksije ostaje neistražen, a metode detekcije i dalje favoriziraju velike planete blizu svojih zvijezda. Zaključak o dvije obitelji stoga treba čitati kao najbolju sliku koju trenutna tehnologija dopušta, a ne kao konačan popis svih vrsta planetarnih sustava koji postoje.

Ono što je ipak nedvosmisleno jest da sudbina planeta nije zapisana samo u njima samima. Zvijezda koja ih rađa — njezina masa i količina težih elemenata u oblaku iz kojeg se formira — postavlja pravila igre prije nego što je prvi planet uopće nastao. To je zaključak koji astrofiziku pomiče s pitanja „kakve sustave vidimo” na pitanje „zašto uopće nastaju takvi, a ne drugačiji”.