Exoplanety 1

Průvodce exoplanetární džunglí – 1. díl: Vznik planetárních soustav + Typologie planet

 

Igor Duszek, 2005

 

Prolog – pocta Giordanu Brunovi:

Je sychravé ráno 17. února roku 1600. Na Campo de Fiori v Římě hoří hranice. Lidská hloupost opět vítězí a svatá inkvizice skoncovala s jedním kacířem. Tak umřel Giordano Bruno, jeden z největších filozofů středověku, který rozvinul učení Koperníka a svými názory předběhl dobu téměř o 400 let. „Boží řád“ ohrozil pouze tím, že šířil pokrok a přednášel o tom, že „Slunce není středem vesmíru, ale jen pouhou hvězdou, kterých je v nekonečném vesmíru nekonečně mnoho, s nekonečným množstvím planet…“.

V roce 1995, kdy byla objevena první extrasolární planeta u hvězdy 51 Pegasi, mu věda konečně mohla dát v otázce mnohosti Slunečních soustav plně za pravdu.

 

1.1. Vznik planetárních soustav

Podle posledních poznatků je vznik planetárních soustav ve vesmíru zcela normálním jevem, který se může přihodit prakticky jakékoli hvězdě nebo i vícenásobnému hvězdnému systému. Z hlediska astrobiologie jsou pro nás samozřejmě nejzajímavější planetární soustavy u těch typů hvězd, které by svými parametry mohly podporovat vznik a udržení života, což jsou hvězdy se stejnou nebo nižší hmotností, než má naše Slunce, tedy především žlutí a „oranžoví“ trpaslíci – spektrální typy G, K (k nimž patří i naše Slunce – typ G). Dále mohou přicházet v úvahu i červení trpaslíci – spektrální typ M a s odřenýma ušima i hvězdní „nedomrlci“ hnědí trpaslíci – spektrální typ L. (Bližší informace v článcích kolegy Tomáše Petráska: „Hvězdy“ na http://www.distantworlds.wz.cz/DisWorlds1-2/Astro/Hvezdy.htm, „Život u červeného trpaslíka“ na http://www.distantworlds.wz.cz/DisWorlds1-2/ET/RedDwarfLife.htm a mém: Hnědí trpaslíci“ na http://www.distantworlds.wz.cz/DisWorlds1-2/ET/HnTrp.htm.

Co se týká hmotných hvězd, tak pro ty platí tři hlavní důvody, proč je u nich prakticky zbytečné hledat protoplanetární disky a tím i exoplanety:

1.      Hmotné hvězdy svým intenzívním hvězdným větrem celý disk rozfoukají do prostoru a planety tak ani většinou nestihnou vzniknout.

2.      Hmotné hvězdy mají velmi krátký život ve stabilní fázi, takže jejich planety, pokud se stihnou vytvořit jsou záhy zničeny při „umírání“ hvězdy.

3.      Hmotné hvězdy velice intenzivně září v rentgenovém a gama spektru, takže jsou tím jejich případné planety neustále „sterilizovány“.

Rozumné maximum hvězdné hmotnosti pro hledání astrobiologicky zajímavých exoplanet je cca. 1,4 hmotnosti Slunce, což do skupiny „vyvolených“ hvězd pro hledání planet přidává ještě spektrální typ F (žlutobílé trpaslíky).

Abychom se mohli dále zabývat extrasolárními planetami, je nutno si také říci, jak vlastně planety vznikají a jaké typy planet se mohou vytvořit.

Prvotním impulsem vzniku celé soustavy hvězda(y) – planety (a další tělesa), je smršťování mezihvězdné molekulární prachoplynové mlhoviny, které je iniciované například výbuchem blízké supernovy. 

Jedním dlouhým souvětím řečeno – planety pak vznikají kondenzací, srážkami, spojováním částic a později i těles v rotujícím protoplanetárním disku, který se vytvoří kolem rodící se hvězdy. Proces vzniku planet je dle počítačových simulací relativně rychlý. Původní disk se začne rychle rozpadat na shluky prachových zrnek, která vzájemnými srážkami neustále mohutní. Během 100 – 200 miliónů let od začátku celého procesu již máme prakticky hotové planety. O tom, jaké planety se vytvoří, rozhodují především počáteční podmínky jejich vzniku, jako je např. chemické složení, hmotnost a hustota mateřské hvězdy a zárodečného disku, vzdálenost rodící se planety od mateřské hvězdy a řada dalších parametrů. Jaké planety se tedy mohou vytvořit?

 

1.2. Typologie planet (podle Sluneční soustavy)

O tom jaké planety mohou vzniknout nám něco bližšího může říci naše planetární soustava. Planety Sluneční soustavy lze z fyzikálně-geologického hlediska „rozškatulkovat“ do čtyř skupin uvedených v tabulce č.1:

 

Tabulka č.1

Typy planet ve Sluneční soustavě

Parametr

Terestrické planety

Obři

Podobři

Ledové planety

Průměrná hustota

> 3 g/cm3

0,69 - 1,33 g/cm3

1,32 - 1,64 g/cm3

1 - 3 g/cm3

Hmotnost (jednotky Země)

0,00005 - 1 mZemě

95 - 318 mZemě

14,5 – 17 mZemě

0,00001- 0,025 mZemě

Chemické složení nitra (Jádro, plášť)

Jádro: Fe, Ni
Plášť: Si Mg, Al, S

Jádro: Fe, Ni, Si
Plášť: H2, He, H2O

Jádro: Fe, Ni, Si
Plášť: NH3, CH4, H2O

Jádro: Si
Plášť: CH4, H2O

Finální atmosféra (rozsáhlost, hlavní složky)

Žádná až středního rozsahu
CO2, N2, O2, H20

Velmi rozsáhlá
H2, He, CH4, NH3

Rozsáhlá
H2, He, CH4, NH3

Žádná až středního rozsahu
N2, CH4

Místo vzniku planety

(1AU = 150 mil. Km)

Vnitřní část protoplanetárního disku  (do 3 AU)

Střední až vnější část protoplanetárního disku (mezi 5 a 10 AU)

Vnější část protoplanetárního disku (od 20 AU)

Střední až vnější část protoplanetárního disku (od 3 AU)

Z tabulky č.1 nám vyšly tyto planetární typy:

 

 

Terestrické (zemské) - typ Země

 

 

Planety s vysokou hustotou, s nízkou až střední hmotností, železným jádrem a silikátovým pláštěm. Pravděpodobně vznikly ve vnitřní, hustší části protoplanetárního disku (blízko Slunci), která byla bohatá na těžší prvky a kde byla vyšší teplota. Lehčí, plynné prvky (H, He) byly z této oblasti vytěsněny počáteční sluneční vichřící pryč a podstatnou roli při formování planet zemského typu tak zahrály „Heavy metalové“ prvky (Fe, Ni, ad.), ze kterých jsou složena jádra těchto planet. Na něj navazují kovo-silikátové plášťě a horninová kůra.  Tyto planety  buď nemají žádnou (tedy přesněji řečeno ultra-řídkou) atmosféru nebo mají relativně řídké atmosféry, které vznikly až druhotně (zachycené částice slunečního větru, částice a plyny uvolněné slunečním a kosmickým zářením, dopadem meteoritů, asteroidů a komet, dále plyny uvolněné vulkanickou, tektonickou či biologickou činností).

Z astrobiologického hlediska jsou planety zemského typu nejvýznamnější, protože obsahují zatím jedinou planetu o které s jistotou víme, že je na ní vysoce rozvinutý život! Kromě naší Země jsou zde také tradiční kandidáti na mimozemský život Mars a Venuše (bližší informace v článcích kolegy Tomáše Petráska: „Život na Marsu“ na http://www.distantworlds.wz.cz/DisWorlds1-2/Solarsys/Zivot%20Mars.htm a „Život na Venuši“ na http://www.distantworlds.wz.cz/DisWorlds1-2/Solarsys/ZivotVenuse.htm). 

 

Přehled terestrických planet:  Merkur, Venuše, Země, Měsíc*, Mars, Vesta**, Io*

 

Obři - typ Jupiter

 

 

Planety s nízkou hustotou, s obrovskou hmotností, bez pevného povrchu a s obrovskými atmosférami. Pravděpodobně vznikly ve střední části protoplanetárního disku, kde již byla nižší teplota, vliv sluneční vichřice slabý a na vzniklé zárodky planet se tak mohla nabalit ohromná hmota lehkých prvků, které pak na kovových, či kovo-silikátových jádrech (o hmotnostech od 5 do 20 hmotností Země), vytvořily tlusté pláště, ve kterých je vodík stlačen tak, že má vlastnosti superkovu. Tyto planety si také udržely obrovské atmosféry, které se od prvotních příliš neliší. Obři mají také početné rodiny měsíců, z nichž některé mají parametry planet. Jsou to vlastně jakési „miniatury“ Sluneční soustavy.

Obři mohou být pro astrobiologii zajímaví díky svým rozsáhlým a hustým atmosférám, kde se nachází celá řada organických molekul (bližší informace v článku kolegy Tomáše Petráska: „Život na Jupiteru“ na http://www.distantworlds.wz.cz/DisWorlds1-2/Solarsys/Zivot%20Jupiter.htm). Největším magnetem pro astrobiologii jsou však bezpochyby jejich velké měsíce.

 

Přehled obrů:  Jupiter, Saturn

 

Podobři - typ Neptun

 

 

Opět planety s nízkou hustotou, s velkou hmotností, bez pevného povrchu a s rozsáhlými atmosférami. Pravděpodobně vznikly ve vnější části protoplanetárního disku, ještě dále od mateřské hvězdy než obři. V takových oblastech to již bylo na hmotu poněkud chudší, takže planetární zárodky se již tolik „nevykrmily“. Podobři jsou přesto mnohem těžší, než planety zemského typu, ale s obry se nemohou v žádném případě rovnat. Na kovo-silikátových jádrech (o hmotnostech od 1 do 2 našich Zemí) mají nabalené pláště z tekuté vody, čpavku a metanu. Jejich atmosféry jsou mnohem rozsáhlejší, než u planet zemského typu a svým chemickým složením jsou příbuzné atmosférám obrů. I kolem podobrů kolotají početné rodiny měsíců.

Také podobři nejsou pro astrobiologii zcela ztraceni. Zajímavý je především přechod mezi jejich hustou atmosférou a tekutým vodním pláštěm tvořeným směsí vody, čpavku a řady organických látek. I u podobrů jsou pro astrobiology zajímavé jejich velké měsíce.

 

Přehled podobrů:  Uran, Neptun

Ledové - typ Pluto

 

 

Do třetice planety s nízkou hustotou, s velmi nízkou hmotností, kovo-silikátovým nebo silikátovým jádrem, obklopeným kapalným či polotekutým vodním, metanovým či čpavkovým pláštěm a povrchovou krustou z vrstvy zmrzlého vodního, metanového, čpavkového nebo suchého (CO2) ledu. Tyto planety jsou buď bez atmosfér nebo mají řídké druhotné atmosféry vzniklé dopadem kosmického záření, dále díky kryovulkanismu, případně vypařováním povrchového ledu při přiblížení ke Slunci (v podstatě kometární aktivita). K jejich tvorbě dochází opět ve vnější části protoplanetárního disku, v oblastech chudých na hmotu a v oblastech, které jsou gravitačně narušovány či „vyluxovány“obry nebo podobry. Jedná se o velké množství menších těles, která často tvoří součást pásu asteroidů, transneptunického Kuiperova pásu (TNO) a Oortova oblaku. V budoucnu se ve Sluneční soustavě nedá vyloučit objev ledových planet, které přesáhnou velikost Pluta.

Ledové planety (přesněji ledové měsíce) jsou velkým hitem astrobiologů a do určité míry „zahanbují“ i tradiční terestrické kandidáty. Důvodem je fakt, že s pravděpodobností hraničící s jistotou je mezi nimi řada vodních či metanovo-čpavkových světů s hlubokými podpovrchovými oceány těchto kapalin (více informací v článcích kolegy Tomáše Petráska: „Život pod ledem“ na http://www.distantworlds.wz.cz/DisWorlds1-2/Solarsys/ZivotLed.htm a „Život na Titanu“ na http://www.distantworlds.wz.cz/DisWorlds1-2/Solarsys/ZivotTitan.htm).

 

Přehled ledových planet: Ceres**, Europa*, Ganymed*, Kallisto*, Enceladus*, Tethys*, Dione*, Rhea*, Titan*, Japetus*, Miranda*, Ariel*, Umbriel*, Titanie*, Oberon*, Triton*, Pluto**, Charon*, Sedna**, Quaoar**, Varuna** a další TNO** s průměrem nad cca. 500 km.

 

 

Pozornému čtenáři jistě neuniklo, že jsem do přehledů terestrických a ledových planet jaksi „přimotal“ i některé měsíce planet. Na svoji obhajobu mohu říci jen to, že z geologického, chemického a astrobiologického hlediska je správnější zařadit velké měsíce mezi planety (jsou vnitřně diferencované, často jsou geologicky aktivní a často mají atmosféry). Fakt, že mimo mateřské hvězdy obíhají i mateřskou planetu není tak podstatný. Ostatně proces standardní tvorby měsíců z disku rotujícího kolem rodící se mateřské planety vlastně jen v malém kopíruje proces tvorby planet. Někdy se dokonce dá hovořit spíše o dvojplanetě, jako je např. soustava Pluto-Charon, kde jsou rozměry, hmotnosti a hustoty obou členů velmi blízké. Někdy může být původně samostatně vytvořená planeta později zachycená jinou, větší planetou a stane se jejím měsícem. Naopak velký měsíc planety může být blízkým průletem hmotného tělesa vymrštěn na samostatnou oběžnou dráhu a stát se pak nezávislou planetou.

 

           

Osm největších měsíců ve Sluneční soustavě ve srovnání se dvěma nejmenšími planetami. Kromě Titanie jsou všechny větší, než planeta Pluto. Kallisto je prakticky stejně velký jako planeta Merkur a Titan s Ganymedem dokonce Merkura překonávají.

 

** Ještě pozornější čtenář by mohl napadnout mou klasifikaci Pluta a několika větších transneptunických těles mezi planety. Mezi některými odborníky se o to stále vedou bitvy. Jsem zvědavý, jak se tito odborníci vypořádají například s objevením TNO, které svou velikostí překoná planety Merkur nebo Mars – což celkem očekávám. Ještě větším planetárním „kacířstvím“ je vřazení planetek Ceres a Vesta, ale já budu rád kacířem po vzoru Giordana Bruna. Řídím se celkem jednoduchým (ale jasným) kritériem a za planetu považuji těleso, které má víceméně pravidelný tvar, je vnitřně diferencované (na jádro, plášť a kůru) a vykazuje nějaké stopy minulé nebo současné geologické aktivity.

 

Čtyři nejmenší tělesa, která „kacířsky“ zahrnuji mezi planety. Zleva doprava podle rostoucí vzdálenosti od Slunce: planetky Vesta a Ceres, měsíce Enceladus a Miranda. Tato tělesa jsou pravděpodobně ještě vnitřně diferencovaná a jeví známky geologické aktivity (Enceladus a Miranda dokonce velmi bouřlivé).

 

 

 

Podotýkám také, že výše uvedené členění je skutečně velmi hrubé a je vytvořeno pouze na základě několika fyzikálně-geologických parametrů. Jistě se shodneme na tom, že prakticky každé těleso ve Sluneční soustavě je naprostý unikát a „škatulkování“ proto bude vždy nepřesné. Další informace k vlastnostem planet je v článku kolegy Tomáše Petráska „Planety“ na http://www.distantworlds.wz.cz/DisWorlds1-2/Astro/Planety.htm .

Nejpozornějšímu čtenáři jistě neuniklo také to, že mezi jednotlivými „třídami“ planet jsou velké neobsazené hmotnostní a hustotní „díry“, ale tyto bohužel už planetami ze Sluneční soustavy nemůžeme zaplnit. Nicméně typologie planet naší Sluneční soustavy nám poskytuje velmi dobrý přehled o tom, jaké typy extrasolárních planet můžeme ve vesmíru očekávat. V posledním desetiletí jsem však neustále překvapován a fascinován tím, na jaké exoplanetární „exoty“ ve vesmíru narážíme!

 

Shrnutí 1. části:

Pojednáním o problematice vzniku planetárních soustav a vytvořením typologie planet podle naší planetární soustavy jsme tedy získali odpověď na otázky:

Kde exoplanety hledat? Tedy především u hvězd typů F, G, K, M, L, protože jsou zajímavé z astrobiologického hlediska.

Co vlastně hledat? Tedy protoplanetární disky, extrasolární planety různých typů, dále extrasolární obdoby asteroidálních, Kuiperových pásů či Oortova oblaku apod.

Zbývá ještě vyřešit otázku: Jak exoplanty hledat?

A o tom si více povíme ve 2. díle Průvodce exoplanetární džunglí…

 

Díl I            Díl II           Díl III

 

Zdroje:

 

Knihy:

- Vesmír 1 Sluneční soustava; Róbert Čeman, Eduard Pittich; Astronomická encyklopedie; Edice: Rekordy; Slovenská Grafia, a.s., Bratislava; 1. vydání 2002; ISBN 80-8067-072-2

 

- Vesmír 2 Hvězdy - Galaxie; Róbert Čeman, Eduard Pittich; Astronomická encyklopedie; Edice: Rekordy; Slovenská Grafia, a.s., Bratislava 1. vydání 2003; ISBN 80-8067-075-7

 

- Průvodce astronomií; Pavel Příhoda; Hvězdárna a planetárium hl. m. Prahy; 1. vydání 2000; ISBN 80-86017-26-5

 

- Planety očima geologů; J.G. Kac a kol.; SNTL; 1. vydání 1991; 04-411-91 b

 

- Planety naší Sluneční soustavy; Pavel Koubský; Edice: Oko; Albatros; 1. vydání 1988; 13-706-88 14/66

 

-         Všechny použité obrázky mají původ u NASA/JPL