Planeta pod prąd: GJ 3090 b okrąża swoją gwiazdę wstecz

Wszystkie planety Układu Słonecznego krążą wokół Słońca w tę samą stronę, w którą ono się obraca. Międzynarodowy zespół pod kierunkiem Uniwersytetu Genewskiego zmierzył orbitę planety GJ 3090 b, oddalonej od nas o około 73 lata świetlne, i okazało się, że biegnie ona pod prąd. To pierwszy taki przypadek przy czerwonym karle, a do tego bez oczywistego winowajcy: nie widać masywnego sąsiada, który mógłby ją wywrócić.

*Wizja artystyczna egzoplanety GJ 3090 b i jej gwiazdy macierzystej. Źródło: NASA*

Jak zmierzyć kierunek, którego nie widać

Planety GJ 3090 b nie da się zobaczyć na zdjęciu, ale można ją wychwycić w widmie gwiazdy. Gwiazda się obraca, więc jedna krawędź jej tarczy zbliża się do nas, a druga oddala. Światło z pierwszej jest lekko przesunięte w stronę niebieskiego końca widma, z drugiej w stronę czerwonego. Gdy planeta w czasie tranzytu przesuwa się na tle tarczy, zasłania kolejne fragmenty i delikatnie zniekształca linie widmowe. Kolejność i kształt tych zniekształceń zdradzają, pod jakim kątem leży płaszczyzna orbity względem osi obrotu gwiazdy. To tak zwany efekt Rossitera–McLaughlina.

Tutaj sygnał był wyjątkowo słaby. Planeta ma 2,18 promienia i 4,5 masy Ziemi, więc należy do minineptunów, czyli światów większych od Ziemi, lecz mniejszych od Neptuna. Okrąża gwiazdę w niecałe trzy doby, a jej tranzyt trwa zaledwie około 75 minut. Sama gwiazda obraca się powoli, raz na około 18 dni. Badaniem kierował doktorant z Genewy, Yann Carteret. Zespół użył spektrografu NIRPS na 3,6-metrowym teleskopie ESO w La Silla w Chile. Instrument pracuje w podczerwieni, w której czerwone karły świecą najmocniej. Zebrano sześć tranzytów z lat 2023–2025. Do końcowej analizy weszło pięć nocy z NIRPS-a, ponieważ jedna miała zbyt słaby sygnał, a dane z drugiego spektrografu, HARPS-a, nie poprawiały wyniku.

Wynik: orbita pod kątem 136 stopni

Rzut orbity na niebo wyszedł około 208°. Po uwzględnieniu ustawienia osi obrotu gwiazdy daje to rzeczywisty kąt około 136°, z niepewnością +24°/−18°. Dla porównania: 0° oznacza orbitę idealnie zgodną z obrotem gwiazdy, 90° orbitę biegunową, a wartości powyżej 90° ruch wsteczny. Orbitę biegunową autorzy wykluczają na poziomie około 2,5 sigma, więc wniosek jest wyraźny, choć nie ostateczny. Carteret przyznaje, że zespół był bardzo zaskoczony, bo planeta nie tylko ma mocno przechyloną orbitę, ale też porusza się przeciwnie do obrotu gwiazdy.

Winowajca, którego brakuje

Silnie przechylone orbity tłumaczy się zwykle działaniem masywnego towarzysza, czyli odległej gwiazdy lub olbrzymiej planety, który po rozproszeniu dysku protoplanetarnego rozkołysał układ. W pięciu znanych układach wielu planet z mocno przechylonymi orbitami taki towarzysz rzeczywiście istnieje. W GJ 3090 go nie znaleziono. Pomiary prędkości radialnych, obrazy o wysokiej rozdzielczości i dane z Gai wykluczają planetę masywniejszą od Jowisza w odległości do 15 jednostek astronomicznych oraz obiekt cięższy niż 13 mas Jowisza do około 100 jednostek. Zastrzeżenie: dotyczy to towarzyszy leżących w płaszczyźnie orbity GJ 3090 b. Ponadto GJ 3090 b jest najbardziej wewnętrzną planetą układu, a taki mechanizm zaburza zwykle planety zewnętrzne.

Autorzy proponują więc inne wyjaśnienie: przechył jest pierwotny. Gwiazda mogła już po powstaniu pierwszego dysku wchłonąć gaz z otoczenia i utworzyć drugi dysk, którego oś nie musiała pokrywać się z osią gwiazdy. Planety powstałyby w nim, a potem przywędrowały w pobliże gwiazdy, dziedzicząc jego nachylenie. Vincent Bourrier, współautor pracy, zapowiada, że brak masywnego towarzysza skłania do rozważenia innych hipotez, w tym właśnie takiej.

Dlaczego to ważne i co dalej

Czerwone karły to najpowszechniejsze gwiazdy w Galaktyce, a wiele z nich ma małe planety. Według teorii głębokie warstwy konwekcyjne takich gwiazd sprzyjają wyrównywaniu orbit przez oddziaływania pływowe. GJ 3090 b najwyraźniej uniknęła tego losu: jest mała, a od gwiazdy dzieli ją około 13 jej promieni, więc pływy działają słabo.

Hipoteza jest sprawdzalna. Jeśli wszystkie planety układu powstały w tym samym odwróconym dysku, siostrzane światy GJ 3090 b, czyli planeta o okresie 16 dób i kandydatka o okresie 13 dób, powinny mieć podobnie przechylone orbity. Pomiar nie będzie łatwy, bo planeta o okresie 16 dób w ogóle nie tranzytuje. Już teraz wynik pokazuje jednak, że spektrografy pracujące w podczerwieni pozwalają badać geometrię orbit nawet najmniejszych planet przy chłodnych gwiazdach.