„Mega-Ziemia” GJ 523b: 23 razy masywniejsza od Ziemi, a prawie bez atmosfery

Zespół z University of Wisconsin–Madison opisał egzoplanetę GJ 523b — obiekt o masie 23,5 masy Ziemi upakowanej w kuli o promieniu zaledwie 2,55 promienia Ziemi. Praca, której pierwszym autorem jest doktorant Maxwell Kroft z zespołu adiunkta Thomasa Beatty’ego, jest dostępna jako preprint w serwisie arXiv i czeka na recenzję naukową.

Planeta okrąża gwiazdę typu K, oddaloną o około 87 lat świetlnych, w ciągu 17,75 dnia. Cały układ jest wyjątkowo młody: analiza girochronologiczna gwiazdy i jej towarzyszy o wspólnym ruchu dała wiek około 169 milionów lat.

Skąd zagadka

Gęstość GJ 523b wynosi 7,8 g/cm³ — mniej więcej 40 procent więcej niż gęstość Ziemi. To oznacza planetę zbudowaną głównie ze skał i metali, z minimalną ilością wodoru i helu.

Problem w tym, że obiekt o takiej masie powinien wyglądać zupełnie inaczej. Przy promieniu 2,55 R⊕ GJ 523b znajduje się w przedziale sub-Neptunów, czyli planet, które zwykle mają grube powłoki gazowe. Jądro o masie ponad 20 mas Ziemi, uformowane w obecności dysku gazowego, powinno wciągnąć w siebie sporą atmosferę wodorowo-helową i stać się gazowym olbrzymem. Tu tego nie ma.

Autorzy sprawdzili najprostsze wyjaśnienie i je odrzucili: obliczenia fotoewaporacji pokazują, że promieniowanie gwiazdy zdołałoby w tym czasie zdmuchnąć zaledwie ułamek masy Ziemi — o wiele za mało, by usunąć rozległą otoczkę.

Orbita niemal biegunowa

Drugi trop jest równie nietypowy. Z promienia gwiazdy, jej okresu rotacji i prędkości rotacji zmierzonej spektroskopowo wynika, że oś obrotu gwiazdy jest silnie nachylona względem naszej linii wzroku. Przekłada się to na minimalne nachylenie orbity planety rzędu 71 stopni względem równika gwiazdy. GJ 523b krąży więc niemal nad biegunami swojej gwiazdy — konfiguracja rzadka wśród planet tej wielkości, zwłaszcza tak daleko od gwiazdy.

Rozważane scenariusze to między innymi:

• seria wielkich zderzeń, które zdarłyby pierwotną atmosferę i jednocześnie powiększyły skaliste jądro,
• hybrydowa akrecja kamyków i planetozymali — opóźniająca pobieranie gazu na tyle, że dysk zdążył się rozproszyć, zanim planeta zbudowała otoczkę,
• uformowanie w niewspółosiowym dysku lub wypchnięcie na nachyloną orbitę przez rezonanse z samym dyskiem,
• migracja z dużym mimośrodem i tidalne zdarcie otoczki — ale ten wariant wymaga niewykrytego dotąd masywnego towarzysza w układzie.

Żaden z nich nie tłumaczy wszystkich obserwacji naraz. Autorzy wprost piszą, że obecne dane nie pozwalają rozstrzygnąć, jak GJ 523b powstała.

Nowa kategoria planet

Najważniejszym wkładem pracy nie jest sama planeta, lecz propozycja uporządkowania nazewnictwa. Określenia „mega-Ziemia” używa się nieformalnie od ponad dekady, ale nigdy nie miało ono ścisłej definicji. Autorzy proponują kryterium czysto obserwacyjne: promień od 2,1 do 5 promieni Ziemi przy gęstości co najmniej 5,5 g/cm³. Po zastosowaniu tego progu do archiwum egzoplanet NASA wyodrębnili GJ 523b i dwanaście innych dobrze zbadanych obiektów.

Te planety nie mają ze sobą wiele wspólnego poza miejscem na wykresie promień–gęstość: różnią się okresami, temperaturami, wiekiem i typem gwiazdy. Właśnie dlatego definicja jest obserwacyjna, a nie oparta na mechanizmie powstawania.

Czego jeszcze nie wiadomo

Rozstrzygające byłyby dwa pomiary. Pierwszy to obserwacje wtórnego zaćmienia Kosmicznym Teleskopem Jamesa Webba, które bezpośrednio pokazałyby, czy planeta ma jakąkolwiek atmosferę — takich danych na razie nie ma. Drugi to pomiar efektu Rossitera-McLaughlina, który w pełni określiłby geometrię orbity. Pomóc mogą też przyszłe katalogi Gaia DR4 i DR5, gdyby ujawniły w układzie nieznanego dotąd towarzysza.

Źródła: M. A. Kroft i in., „GJ 523b is a Massive, 170 Myr-old Mega-Earth, Likely on a Polar Orbit”, arXiv:2603.24682 (preprint w recenzji); University of Wisconsin–Madison, College of Letters & Science; Space.com; SpaceDaily