Prstencový gigant J1407b: Záhadný systém s prstenci 200krát většími než u Saturnu a zrod exoměsíců

Umělecká představa gigantického prstencového systému obklopujícího substelární objekt 1SWASP J1407b. Prstence o vnějším průměru téměř 180 milionů kilometrů jsou přibližně 200krát rozsáhlejší než prstence planety Saturn🪐 AstroWiki EncyklopedieSaturnDruhá největší planeta Sluneční soustavy, proslulá velkolepým systémem ledových prstenců, polárním šestiúhelníkem a rodinou více než 140 měs...Otevřít heslo v encyklopedii → a v jejich široké mezeře se pravděpodobně rodí mohutný kamenný exoměsíc. Kredit: Ron Miller / University of Rochester

Když astronomové v roce 2012 poprvé publikovali analýzu světelné křivky mladé hvězdy 1SWASP J140747.93-394542.6 (často zkracované jako V1400 Centauri nebo jednoduše J1407), mnozí se domnívali, že jde o chybu měření. To, co teleskopy pozorovaly, totiž dalece přesahovalo veškeré známé parametry planetárních systémů. Zákryt, k němuž došlo na jaře roku 2007, netrval několik málo hodin jako u běžných tranzitujících planet, ale neuvěřitelných 56 dní. Během této doby jas hvězdy divoce kolísal, přičemž v nejhlubších fázích bylo zablokováno až 95 procent veškerého jejího světla.

Dnes víme, že astronomové se stali svědky průletu naprosto bezprecedentního kosmického fenoménu: obřího prstencového disku obklopujícího neviděného souputníka J1407b. Tento disk svou rozlohou i hmotností zastiňuje vše, co známe z naší Sluneční soustavy, a v populární i odborné literatuře si právem vysloužil přezdívku „Super-Saturn“.

Padesát šest dní temnoty: Objev přehlídky SuperWASP

Mateřská hvězda J1407 se nachází ve vzdálenosti zhruba 434 světelných let od Země v jižním souhvězdí Kentaura. Jde o mladou proměnnou hvězdu typu T Tauri o hmotnosti přibližně 0,9 násobku Slunce🪐 AstroWiki EncyklopedieSlunceSlunce je centrální hvězdou naší planetární soustavy, žlutý trpaslík spektrální třídy G2V, který svou gravitací váže všechna tělesa od plane...Otevřít heslo v encyklopedii →, jejíž věk se odhaduje na pouhých 16 milionů let – z astronomického hlediska je tedy hvězda v raném dětství (naše Slunce má 4,6 miliardy let). Kolem takto mladých stálic běžně doznívá formování planetárních zárodků.

Tým astrofyziků pod vedením profesora Erica Mamajeka z University of Rochester procházel fotometrické archivy mezinárodní přehlídky SuperWASP (Wide Angle Search for Planets). V datech z dubna a května 2007 narazili na světelnou křivku, která vykazovala desítky hlubokých, symetrických i asymetrických poklesů jasu na časových škálách pouhých desítek minut.

Detailní analýza prokázala, že před hvězdou neprošla jednolitá planeta ani hvězdná skvrna:

• Profil poklesu toku vykazoval více než 30 zřetelných minim a maxim.
• Světlo hvězdy bylo v pravidelných intervalech pohlcováno a opět uvolňováno, což odpovídalo průchodu střídajících se hustých prstenců a prázdných mezer.
• Rychlost tělesa při průchodu před hvězdou byla odhadnuta na více než 30 kilometrů za sekundu, což indikovalo obrovský fyzikální rozměr zastiňující struktury.

Model Matthewa Kenworthyho: Třicet prstenců o průměru 180 milionů kilometrů

V roce 2015 publikoval Matthew Kenworthy z Leidenské observatoře v Nizozemsku ve spolupráci s Ericem Mamajekem v prestižním časopise The Astrophysical Journal kompletní trojrozměrný optický a dynamický model prstencového systému J1407b. Výsledky vyrazily dech i zkušeným planetologům.

Celý prstencový komplex má vnější poloměr 0,6 astronomické jednotky (90 milionů kilometrů), což znamená celkový vnější průměr disku 180 milionů kilometrů. Pokud by se tento systém nacházel na místě prstenců našeho Saturnu:

• Prstence by na pozemské noční obloze zabíraly plochu mnohonásobně větší než Měsíc v úplňku.
• Byly by bez problémů viditelné pouhým okem i za denního světla a jejich odražený svit by konkuroval jasu Měsíce.
• Vnější okraj prstenců by sahal zhruba do dvou třetin vzdálenosti mezi Zemí a Sluncem.

Celková hmotnost prachových částic o velikosti od mikrometrů po centimetry v disku dosahuje přibližně jedné hmotnosti Země (1 M_⊕). Jde o kolosální rezervoár pevného materiálu, který se nachází v aktivní fázi gravitační agregace.

„Světelná křivka z roku 2007 je naprosto neuvěřitelná. Poklesy jasu byly tak strmé a detailní, že jsme dokázali zmapovat jednotlivé koncentrické vrstvy prachu. Pokud byste nahradili Saturnovy prstence těmito prstenci z J1407b, byly by v noci jasnější než Měsíc v úplňku,“ uvedl vedoucí studie Matthew Kenworthy.

Záhada vyčištěné mezery a zrod kamenného exoměsíce

Snad nejúžasnějším detailem celého modelu je objev široké, opticky téměř dokonale průzračné mezery v prstencích na poloměru přibližně 0,4 AU (zhruba 61 milionů kilometrů od centrálního objektu). Šířka této proluky činí přibližně 4 miliony kilometrů.

V planetární dynamice platí fundamentální pravidlo: prstence z mikroskopického prachu a ledu jsou náchylné k rychlému rozptylu vlivem viskozity, Poyntingova-Robertsonova jevu a tlaku záření. Pokud v prstencovém disku existuje ostrá, stabilní a čistá mezera, musí v ní obíhat masivní těleso, jehož gravitační rezonance vymetají prachové částice a udržují okraje prstenců ostré – podobně jako měsíc Mimas udržuje Cassiniho dělení v prstencích Saturnu.

Výpočty Kenworthyho týmu ukázaly, že těleso schopné vytvořit mezeru těchto gigantických rozměrů musí mít hmotnost dosahující až 0,8 hmotnosti naší Země. Sledujeme tak přímý proces zrodu mohutného kamenného exoměsíce (exomoon)! Tento měsíc, svou velikostí srovnatelný s Venuší či Zemí a výrazně překonávající Mars🪐 AstroWiki EncyklopedieMarsMars je čtvrtá planeta od Slunce, známá jako Rudá planeta díky oxidům železa, svět obřích vulkánů (Olympus Mons) a kaňonů (Valles Marineris)...Otevřít heslo v encyklopedii →, obíhá uvnitř cirkumplanetárního disku svého mateřského obřího tělesa s periodou zhruba dvou let a postupně akreuje okolní prach a balvany.

Co je centrálním objektem J1407b: Planeta, nebo hnědý trpaslík?

Povaha samotného centrálního tělesa J1407b zůstává předmětem intenzivního výzkumu. Protože samotný objekt je zcela utopen v záři mateřské hvězdy i vlastního gigantického disku, jeho hmotnost dosud nebyla přímo změřena metodou radiálních rychlostí.

Existují dvě hlavní hypotézy:

1. Super-Jupiter🪐 AstroWiki EncyklopedieJupiterJupiter je největší planeta Sluneční soustavy, plynný obr s hmotností 2,5× převyšující všechny ostatní planety dohromady, pověstný svou Velk...Otevřít heslo v encyklopedii → (10 až 20 M_Jup): Plynný obr na horní hranici planetární hmotnosti, který si kolem sebe v rané fázi zachoval masivní protoplanetární cirkumplanetární disk.
2. Mladý hnědý trpaslík (20 až 60 M_Jup): Substelární objekt schopný krátkodobého spalování deuteria, obíhající na vysoce výstředné dráze (excentricita e > 0,7) s periodou mezi 11 až 20 lety.

Vědci intenzivně monitorují hvězdu J1407 pomocí celooblohových systémů jako ASAS-SN, LCOGT a observatoře ALMA v Chile. Radioteleskop ALMA v milimetrovém pásmu pátral po tepelné emisi chladného prachu a stanovil horní limity pro hmotnost plynu v disku. Další očekávaný zákryt by mohl nastat v následujících letech a astronomové po celém světě jsou připraveni nasadit největší dalekohledy planety včetně JWST k definitivnímu rozluštění geometrie a složení tohoto prstencového divu vesmíru.

Reference

[1] Kenworthy, M. A., & Mamajek, E. E. (2015). Modeling giant extrasolar ring systems in eclipse and the case of J1407b: sculpting by exomoons?. The Astrophysical Journal, 800(2), 126.
https://doi.org/10.1088/0004-637X/800/2/126

[2] Mamajek, E. E., Quillen, A. C., Pecaut, M. J., et al. (2012). Planetary Construction Zones in OCC Centaurus: A Giant Ring System around a Young Extrasolar Steely Object 1SWASP J140747.93-394542.6. The Astronomical Journal, 143(3), 72.
https://doi.org/10.1088/0004-6256/143/3/72

[3] Rieder, S., & Kenworthy, M. A. (2016). Constraints on the size and dynamics of the J1407b ring system. Astronomy & Astrophysics, 596, A9.
https://doi.org/10.1051/0004-6361/201629567

[4] Mentel, R. T., Kenworthy, M. A., Cameron, D. A., et al. (2018). Constraining the period and eccentricity of the ringed system J1407b through long-term photometric monitoring. Astronomy & Astrophysics, 619, A157.
https://doi.org/10.1051/0004-6361/201834004

[5] Klaassen, P. D., Kenworthy, M. A., Watson, C. A., et al. (2020). ALMA observations of the extraordinary young stellar system 1SWASP J140747.93-394542.6. Astronomy & Astrophysics, 638, A153.
https://doi.org/10.1051/0004-6361/202037675