Brzina rotacije otkriva razliku između džinovskih planeta i smeđih patuljaka

Astronomi često imaju poteškoća da razlikuju velike egzoplanete od smeđih patuljaka jer im se starost, sjaj, temperatura i atmosferski sastav mogu veoma sličiti. Tim istraživača sa Northwestern University sada je utvrdio da brzina rotacije predstavlja pouzdan trag koji pomaže u klasifikaciji tih objekata.

Kako su merili rotaciju

Istraživači su koristili instrument KPIC (Keck Planet Imager and Characterizer) na opservatoriji Keck na Mauna Kea kako bi direktno izmerili brzine rotacije za šest džinovskih egzoplaneta i 25 smeđih patuljaka. Uz prethodno objavljene podatke, stvorili su skup od 43 objekta za poređenje. Metod se zasniva na visoko rezolutnoj spektroskopiji: rotacija širi spektar emisije zbog Doplerovog pomaka — deo koji se približava je pomeren u plavo, a deo koji se udaljava u crveno — što omogućava određivanje brzine okretanja.

Absolute MJ vs. J − K color of our KPIC sample. In our KPIC sample, the directly imaged exoplanets are labeled in red circles, and the stellar/substellar companions are denoted in blue circles. (CREDIT: The Astronomical Journal)

Glavni rezultati

Tim je uporedio svaku izmerenu brzinu sa teorijskom kritičnom brzinom raspadanja (breakup velocity) — brzinom pri kojoj centrifugalna sila prevazilazi gravitaciju. Ključni nalazi su:

• džinovske planete prosečno rotiraju oko 27% svoje kritične brzine,
• smeđi patuljci koji prate zvezde prosečno rotiraju oko 9% te brzine,
• razlika između grupa ima statističku snagu od oko 4,5 sigma kada se uzirom u obzir orijentacije orbita.

Primer iz sistema HR 8799

U sistemu HR 8799, planeta od ~7 masa Jupitera rotira znatno brže (relativno prema svojoj kritičnoj brzini) nego prateći smeđi patuljak od ~3 puta veće mase — smeđi patuljak u tom paru rotira oko šest puta sporije od planete.

KPIC sample distributions. Top: distribution of our KPIC targets as a function of mass (MJup) and separation (au), color-coded by age (Myr). Bottom: distribution of our KPIC targets as a function of mass (MJup) and age (Myr), color-coded by separation (au). (CREDIT: The Astronomical Journal)

Zašto postoji razlika?

Objašnjenje verovatno leži u dinamici formiranja: objekti nastaju u gasno-prašnjavim diskovima u kojima magnetna polja deluju kao kočnica i uklanjaju ugaoni moment. Snažniji, masivniji objekti razvijaju jača magnetna polja i gube više ugaonog momenta tokom ranih faza, pa završe sa sporijom rotacijom. Takođe, podaci pokazuju da izolovani smeđi patuljci rotiraju brže nego oni koji su u orbiti oko zvezde, što implicira uticaj okoline domaćinske zvezde (temperatura i nivo jonizacije diska).

Širi kontekst i granica mase

Proučavanje 221 objekta koje pokriva raspon od džinovskih planeta do tela bliskih zvezdama (do ~40 masa Jupitera) ukazuje na jasnu promenu u evoluciji ugaonog momenta oko 40 masa Jupitera. Objekti ispod te granice zadržavali su znatno više ugaonog momenta u prvih ~10 miliona godina — period u kome akrecioni diskovi nestaju — dok masivniji objekti pokazuju efikasniji gubitak i sporiju rotaciju tokom vremena.

Rotation vs. mass (top) and rotation vs. mass ratio (bottom) in our benchmark companion spin sample, assuming the inclinations of companions and planets aligned with their orbits. The rotation is parameterized by fractions of breakup velocity (i.e., rotational velocity over breakup velocity) at 10 Myr under angular momentum conservation from their current ages. (CREDIT: The Astronomical Journal)

Ograničenja i budući rad

Autori napominju da je broj "zlatnih" (direktno izmerenih) džinovskih planeta još mali (samo šest), a uzorak je pristrasan ka mladim objektima, jer su starije i hladnije planete teže detektovati. Planovi za proširenje istraživanja uključuju merenja slobodno lutajućih (rogue) planetarnih objekata i detaljniju analizu atmosferskih hemijskih potpisa kako bi se povezala rotacija sa istorijom formiranja. Budući 30-metarski teleskopi omogućiće merenja rotacije za mnogo veći broj svetova, uključujući i starija polja planeta.

Zašto je to važno

Rotacija kao opservabilni parametar daje dodatni, nezavisan način za razlikovanje planeta i smeđih patuljaka bez oslanjanja isključivo na procene mase, koje često nose velike neizvesnosti. Bolje razgraničenje tipova objekata pomaže u razumevanju procesa formiranja i učestalosti planeta u raznim zvezdanim sistemima.

Izvor: Rezultati istraživanja objavljeni su u The Astronomical Journal. Originalna vest je bila objavljena na sajtu The Brighter Side Of News.