Astronomowie od dawna podejrzewali, że masa planety i jej prędkość obrotowa są ze sobą powiązane. W naszym Układzie Słonecznym Jowisz i Saturn są uderzającymi przykładami. Pomimo swoich ogromnych rozmiarów, oba wykonują pełny obrót w około 10 godzin i odpowiadają za dużą część całkowitej energii rotacyjnej Układu Słonecznego.

Aby sprawdzić, czy ta zależność wykracza poza nasze kosmiczne sąsiedztwo, naukowcy wykorzystali Obserwatorium W. M. Kecka na Maunakea na Hawajach do zbadania dużej próbki odległych gigantycznych światów. Ich badanie objęło 32 gazowe olbrzymy i brązowe karły w innych układach gwiezdnych, w tym 6 planet większych od Jowisza i 25 towarzyszy będących brązowymi karłami.

Obserwacje ujawniły intrygującą tendencję. Gdy uwzględni się czynniki takie jak masa, rozmiar i wiek, gazowe olbrzymy mają tendencję do szybszego obracania się niż masywniejsze brązowe karły. Aby wzmocnić swoją analizę, naukowcy włączyli również wcześniejsze pomiary obrotów z innych badań, tworząc starannie wybrany zestaw danych obejmujący 43 gwiezdnych/podgwiezdnych towarzyszy i gazowych olbrzymów, wraz z 54 swobodnie pływającymi brązowymi karłami i obiektami o masie planetarnej.

Międzynarodowy zespół był kierowany przez naukowców z Centrum Interdyscyplinarnej Eksploracji i Badań w Astrofizyce (CIERA) na Northwestern University. Współpracownicy obejmowali badaczy z Centrum Astrofizyki i Nauk Kosmicznych (CASS) na UC San Diego, Wydziału Nauk Geologicznych i Planetarnych (GPS) na Caltech, Obserwatorium W. M. Kecka, Obserwatorium Stewarda, James C. Wyant College of Optical Sciences, Jet Propulsion Laboratory NASA oraz kilku innych instytucji. Ich wyniki zostały opublikowane w The Astronomical Journal.

Wiele z badanych planet krąży wokół swoich gwiazd w odległościach od kilkudziesięciu do setek jednostek astronomicznych (AU), czyli odległości Ziemi od Słońca. Naukowcy wciąż próbują ustalić, jak powstają te odległe światy. Niektóre mogą stopniowo wyłaniać się z dysków gazu i pyłu otaczających młode gwiazdy, podczas gdy inne mogą powstawać w procesie bardziej podobnym do kolapsu, który tworzy same gwiazdy.

Aby to zbadać, naukowcy wykorzystali Keck Planet Imager and Characterizer (KPIC), specjalistyczny instrument zdolny do izolowania światła pochodzącego bezpośrednio z tych odległych światów. Gdy planeta się obraca, cechy jej atmosfery powodują subtelne poszerzenie jej widma. Mierząc te zmiany, astronomowie mogą określić, jak szybko obiekt się obraca.

Główny autor Dino Chih-Chun Hsu, badacz w CIERA, wyjaśnił znaczenie tych pomiarów w komunikacie prasowym Obserwatorium W. M. Kecka: „Obrót to skamielina zapisująca, jak powstała planeta. Mierząc, jak szybko te światy się obracają, możemy zacząć składać w całość procesy fizyczne, które je ukształtowały dziesiątki do setek milionów lat temu. Dzięki KPIC możemy wykryć te maleńkie sygnały, które ujawniają obrót planety wokół innych pobliskich gwiazd. Nasze wyniki sugerują, że zarówno masa planety, jak i stosunek masy planety do masy jej gwiazdy wpływają na to, jak szybko planeta ostatecznie się obraca. To pomaga nam zawęzić fizykę powstawania tych układów.”

Gigantyczna planeta przewyższa prędkością obrotową znacznie większego sąsiada

Jeden z najwyraźniejszych przykładów pochodzi z układu HR 8799. Tam gazowy olbrzym o masie około 7 razy większej od Jowisza obraca się sześć razy szybciej niż brązowy karzeł o masie około 24 razy większej od Jowisza.

Naukowcy uważają, że różnica może być związana z oddziaływaniami magnetycznymi we wczesnej historii obiektów. Silniejsze pole magnetyczne może oddziaływać intensywniej z otaczającym dyskiem okołoplanetarnym, spowalniając obrót z czasem. W tym przypadku masywniejszy brązowy karzeł prawdopodobnie stracił więcej swojego pierwotnego obrotu z powodu silniejszego pola magnetycznego.

Odkrycia pomagają naukowcom lepiej zrozumieć nie tylko odległe układy planetarne, ale także pochodzenie naszego własnego Układu Słonecznego. Hsu powiedział: „Sposób, w jaki moment pędu jest rozłożony między planetami, wpływa na ogólną architekturę układu planetarnego.”