Czas czytania: 15 minut
Dzisiejszy wpis dotyczyć będzie powracającego sporu o definicję planety. W lipcu 2025 świat astronomiczny obiegła informacja, że grupa planetologów (których głównym inicjatorem jest Jean-Luc Margot – profesor nauk o Ziemi, planetach i kosmosie oraz fizyki i astronomii na Uniwersytecie Kalifornijskim w Los Angeles), poddała w wątpliwość obecnie obowiązującą definicję. Zdaniem naukowców, obecna definicja – obowiązująca od 2006 roku, jest już przestarzała. Nie jest to pierwszy, poważny konflikt o definicję planety w najnowszych dziejach.
Pierwszy konflikt związany był z odkryciem 5.01.2005r.: (136199) Eris. Eris początkowo nazywana Xeną, tak naprawdę została odkryta już w 2003r., jednak dopiero późniejsze obserwacje pozwoliły potwierdzić jej charakter i obliczyć wstępne właściwości fizyczne. Odkrycie Eris i pomiar jej właściwości fizycznych, zapoczątkowały jeden z największych sporów w nowoczesnej astronomii – spór o definicję planety i status Plutona.
Dziś, 18 lat po tych wydarzeniach okazuje się, że po raz kolejny musimy zmierzyć się z tą sprawą. Wszystko za sprawą tzw. exoplanet (planet pozasłonecznych). Na dzień 9.08.2024 w bazie exoplanet ( https://exoplanet.eu/home/) zarejestrowano 7138 obiektów. Mnogość odkrytych exoplanet oraz duża liczba ich wariantów i możliwych konfiguracji sprawia, że postulat wysunięty przez profesora Jean-Luca wydaje się słuszny. Inną coraz bardziej palącą problematyczną kwestią, jest brak wyraźnej granicy pomiędzy najsłabszymi obiektami gwiazdowymi (tzw. brązowe podkarły – zwłaszcza w klasie Y), a naprawdę dużymi i masywnymi tzw. super-Jowiszami.
W mojej ocenie, główny postulat o konieczności zmiany definicji planety w związku z ogromnym skokiem odkryć w tej materii jest ogólnie słuszny. Uważam jednak, że jest za wąski. Postulaty wysuwane przez profesora Jean-Luca, nie obejmują zakresem wszystkich problematycznych zagadnień. Planowane przedstawienie nowej definicji planety jest planowane właśnie teraz, na Zgromadzeniu Ogólnym Międzynarodowej Unii Astronomicznej (IAU), które rozpoczęło się 6 sierpnia w Kapsztadzie, RPA. W Zgromadzeniu udział weźmie ponad 2000 astronomów i badaczy nauk pokrewnych z całego świata. Całe wydarzenie trwa dwa tygodnie. Mam nadzieję, że naukowcy nie będą się spieszyć. Definicja wymaga zmiany, ale zagadnienie jest niezwykle obszerne. Jeżeli chcemy (a raczej chcemy, bo nie ma innego wyjścia), zmienić definicję planety musimy spojrzeć na zagadnienie kompleksowo, w sposób wyczerpujący, żeby nie musieć znowu wracać do tego tematu za 5, czy 10 lat.
Na początek przedstawię starą definicję planety z 2006r. i nową zaproponowaną przez profesora Jean-Luca. Następnie wskażę niektóre problematyczne kwestie obu.
Stara definicja z 2006
Planetą wg rezolucji B5 IAU jest ciało niebieskie:
– krążące wokół Słońca;
– mające wystarczającą masę, aby swoją grawitacją pokonać siły ciała sztywnego, przyjmując kształt odpowiadający równowadze hydrostatycznej (prawie kulisty);
– oczyściło otoczenie swojej orbity z innych względnie dużych obiektów.
Nowa proponowana definicja
Planetą jest ciało niebieskie:
– które krąży wokół jednej lub większej liczby gwiazd, brązowych karłów lub pozostałości gwiazd;
– ma masę większą niż 10 23 kg;
– ma masę mniejszą niż 13 mas Jowisza (2,5 * 10 28 kg).
Odnośnie starej definicji, główny zarzut zespołu profesora Margot dotyczy pierwszego punktu definicji, czyli że ciało niebieskie musi krążyć wokół Słońca. Moim zdaniem problem ten powstaje tylko wtedy, jeśli chcemy ujednolicić pojęcie planety i exoplanety, w przeciwnym razie problem w ogóle nie powstanie. To jedyny punkt, który rozróżnia exoplanetę i planetę. W pozostałych są one tożsame. Moim zdaniem, bardziej problematyczne są pozostałe kwestie.
Przyjmijmy, że jednak chcemy ujednolicić pojęcie exoplanety i planety. W mojej ocenie punkt 1: planetą jest ciało niebieskie które krąży wokół jednej lub większej liczby gwiazd, brązowych karłów lub pozostałości gwiazd, nie jest wystarczające. Wyklucza bowiem dużą i specyficzną grupę tzw. planet swobodnych. Grupa Robocza ds. Planet Pozasłonecznych ukuła własną definicję planety: „obiekt o masie poniżej minimalnej masy, wymaganej do rozpoczęcia reakcji termojądrowej, który orbituje wokół gwiazdy”. Według tej definicji, każdy obiekt swobodny o masie planetarnej jest brązowym podkarłem, co jest delikatnie mówiąc absurdalne i stwarza ogromne problemy interpretacyjne. Grupa Robocza zdawała sobie jednak sprawę, że jest to rozwiązanie wysoce niezadowalające i określiła je mianem tymczasowego. Definicja Komisji wyklucza jako planety również potencjalne tzw. blanety (planety, krążące wokół czarnych dziur). W tym zakresie definicja zaproponowana przez zespół prof. Margot jest lepsza. Swobodne planety stanowią duży problem definicyjny. Nie okrążają żadnego innego obiektu, dryfują w kosmosie, co już samo w sobie jest zaprzeczeniem definicji planety. Obiekt taki nie ma orbity (bezpośrednio wokół innego ciała niebieskiego), nie ma więc czego oczyszczać. Z drugiej strony, definiowanie każdego obiektu o masie planetarnej jako brązowego podkarła, delikatnie mówiąc nie jest zbyt zadowalające. Pojawiła się propozycja, żeby wszystkie planety swobodne określać mianem planemo. Definicja planemo: obiekt astronomiczny o masie wystarczającej, aby mieć kształt zbliżony do kulistego (będący w równowadze hydrostatycznej), ale mniejszej niż masa potrzebna do uruchomienia procesów fuzji jądrowej. W pierwotnym rozumieniu tej definicji, planeta byłaby szczególnym rodzajem planemo, które posiada orbitę. Niektórzy astronomie konsekwentnie odmawiają swobodnym obiektom o masie planetarnej statusu „planety”. Być może definicja planemo rozwiązałaby problem planet swobodnych, ale wymagałaby doprecyzowania, że chodzi właśnie o swobodny obiekt, spełniający kryteria planety.
W mojej ocenie ta klasa obiektów jest prawdopodobnie jedną z najbardziej problematycznych. Jeszcze dziwniej robi się, kiedy w rozważania włączymy definicję planety karłowatej. Jak odróżnić planetę swobodną od swobodnej planety karłowatej? Może obie kategorie uznać łącznie za planemo? Czy może każdą swobodną planetę karłowatą uznać jednak za planetoidę? Musimy znaleźć odpowiedzi na te pytania i przyjąć jakiś konsensus.
Przedstawię tu aktualną definicję planety karłowatej, uchwaloną przez rezolucje 5 i 6 IAU z 24 sierpnia 2006r.:
Planetą karłowatą jest ciało niebieskie:
– znajdujące się na orbicie wokół Słońca;
– ma masę wystarczającą, by własną grawitacją pokonać siły ciała sztywnego tak, aby wytworzyć kształt odpowiadający równowadze hydrostatycznej (prawie kulisty);
– nie oczyścił sąsiedztwa swojej orbity z innych względnie dużych obiektów;
– nie jest satelitą planety lub innego obiektu niegwiazdowego.
Obie rezolucje odnoszą się bezpośrednio do Układu Słonecznego i statusu Plutona. Do dnia dzisiejszego wielu miłośników astronomii, a nawet zawodowych naukowców nie zgadza się z decyzją o zmianie charakteru Plutona na planetę karłowatą. W mojej ocenie była to jednak decyzja słuszna. Odkrycie Eris przypieczętowało jego los. Po przeprowadzeniu obserwacji i pomiarów Eris, stało się jasne, że posiada większą masę od Plutona. Początkowo obliczenia wskazywały również na to, że jest większa. Późniejsze obserwacje i obliczenia wskazywały na to, że jest mniejsza. Różnica była jednak nieznaczna. Dziś jest niemal pewne, że Eris jest masywniejsza, ale prawdopodobnie mniejsza od Plutona. W Pasie Kuipera i dysku rozproszonym krążą dziesiątki kandydatów na planety karłowate. Dalsze podtrzymywanie statusu planety dla Plutona oznaczałoby, że w Układzie Słonecznym mogłoby być nawet 50 planet, albo więcej. Stało się jasne, że nie da się dalej podtrzymywać status quo. Niektórzy naukowcy, żeby podtrzymać status Plutona jako planety wysuwali różne mniej lub bardziej abstrakcyjne pomysły np.:
– uznanie Eris i Ceres również za pełnoprawne planety (pomysł nie mógł wejść w życie ze względu na dużą liczbę innych obiektów o zbliżonych lub nawet większych parametrach fizycznych);
– uznanie Plutona za planetę podwójną i liczenie jego parametrów fizycznych łącznie z Charonem (pomysł wysoce kontrowersyjny);
– utrzymanie statusu Plutona ze względów historycznych, tradycyjnych i ugruntowaną pozycję planety w świadomości społecznej (problematyczna kwestia, sztuczne utrzymanie pozycji Plutona jako planety i tworzenie wyjątku tylko ze względów społecznych i historycznych, podczas gdy istnieje wiele innych obiektów o zbliżonych lub większych parametrach, nie jest dobrym rozwiązaniem z punktu widzenia samej nauki i porządku).
Moim zdaniem wydzielenie klasy planet karłowatych było dobrym pomysłem. Teraz jednak również ona staje się problematyczna, ze względu na rosnącą liczbę odkryć poza Układem Słonecznym. Jak widzimy w definicji planety karłowatej ponownie pojawia się zagadnienie oczyszczenia orbity obiektu. IAU nie podała definicji „oczyszczenia sąsiedztwa orbity”.
Co zatem z asteroidami i planetoidami tzw. trojańskimi? Planetoidy takie współdzielą orbity z innymi dużymi planetami, krążąc w ich punktach libracyjnych 4 i 5. Punkt libracyjny (punkt Lagrange’a) to punkt w przestrzeni, w układzie dwóch ciał powiązanych grawitacyjnie, w którym trzecie ciało o bardzo małej masie może pozostawać w spoczynku. Każdy układ dwóch ciał powiązanych grawitacyjnie zawsze posiada 5 takich punktów. Punkty 4 i 5 są z nich wszystkich najstabilniejsze, dlatego asteroidy, planetoidy i inne obiekty mają tendencję do orbitowania wokół tych punktów. I tak np. wokół punktu libracyjnego 4 układu Jowisz-Słońce krąży tzw. obóz grecki (z punktu widzenia Jowisza poruszają się one przed nim, podczas ruchu orbitalnego). Wokół punktu libracyjnego 5 tego układu, krąży tzw. obóz trojański (z punktu widzenia Jowisza porusza się za nim, wygląda to trochę tak jakby go gonił po orbicie).
Łącznie w obu obozach jest ponad 12 100 takich obiektów. Czy to oznacza, że Jowisz nie oczyścił swojej orbity i nie może być uznany za planetę? Na chwilę obecną nie tylko Jowisz posiada na swojej orbicie takie obiekty. Asteroidy i planetoidy trojańskie posiada też np. Ziemia (2 znane obiekty na chwilę obecną), Mars (9 takich obiektów), Uran i Neptun również je posiadają. Nie znane są planetoidy i asteroidy trojańskie Saturna. Uważa się, że ich nie posiada ze względu na oddziaływanie grawitacyjne Jowisza.
Naukowcy zdają sobie sprawę z tej poważnej nieścisłości w definicji. Nieoficjalnie zapostulowano więc definicję „dominacji dynamicznej”. Dominacja taka miałaby oznaczać stosunek masy planety do łącznej masy obiektów w jej strefie orbitalnej. Trzeba jednak zauważyć, że definicja ta nie jest oficjalna i jest nieostra sama w sobie. Również nieoficjalnie zaproponowano, że kiedy stosunek masy obiektu do łącznej masy wszystkich innych obiektów w jego strefie orbitalnej wynosi min. 100, można mówić o planecie (tzw. wyznacznik planetarny μ). Jak już jednak mówiłem jest to kryterium nieoficjalne.
Nowa definicja nie wspomina o równowadze hydrostatycznej, która jest niezwykle ważnym elementem definicji planety karłowatej. Nowa definicja postuluje jednak nowe kryterium, dolną wartość masy obiektu, aby można było mówić o planecie. Masa ta wyznaczona została na większą niż 10 23 kg. Wartość ta nie jest przypadkowa. Zespół profesora Margot wyliczył ją, opierając się na „dynamicznej dominacji”. Po przeanalizowaniu parametrów uznanych planet w Układzie Słonecznym, stwierdzili, że obiekt o masie większej niż 10 23 kg z pewnością będzie miał wystarczającą masę do oczyszczenia strefy swojej orbity z innych większych ciał. W tej kwestii pojawiają się jednak dwa problemy.
Pierwszym są odkrycia w zakresie exoplanet. Weźmy sobie np. taką PSR B1257+12A, exoplaneta odkryta już w roku 1992, jej masa to połowa masy Merkurego. Ale to nie koniec idźmy dalej: WD 1145+017 b. Masa tej planety to mniej więcej masa planety karłowatej Haumea w Układzie Słonecznym. Jeszcze zabawniejszy jest Kepler-37b, którego masa i promień prawdopodobnie są nieco większe od wielkości i masy…. Księżyca! Czy są to zatem planety karłowate, a może jednak pełnoprawne planety? Ziemki księżyc ma zaokrąglony kształt, nie posiada jednak równowagi hydrostatycznej. Inne mniejsze księżyce jednak ją posiadają. Równowaga hydrostatyczna jest bowiem zależna nie tylko od masy, ale również od gęstości. Sama w sobie nie jest wg mnie dobrym wyznacznikiem klasy obiektu.
Drugi problem pojawia się gdy spojrzymy bezpośrednio na nasz układ planetarny. W Układzie Słonecznym są takie ancymony jak: Ganimedes, Tytan czy Kallisto. Wszystkie te obiekty mają masę większą niż 10 23 kg. Co więcej Ganimedes posiada również równowagę hydrostatyczną, pole magnetyczne i średnicę większą niż Merkury (ale ma mniejszą masę). Ganimedes spełnia wszystkie warunki bycia planetą. W mojej ocenie, należy doprecyzować warunek orbitowania wokół gwiazdy lub pozostałości po gwieździe precyzując, że planetą jest obiekt bezpośrednio orbitujący wokół gwiazdy lub gwiezdnej pozostałości. Tylko tak unikniemy wątpliwości.
Żeby było jeszcze trudniej istnieje kategoria tzw. księżyców o masie planetarnej. Tutaj ciekawostka, nasz Księżyc wcale nie jest takim słabeuszem jakby się mogło wydawać. Księżyc jest 5-tym pod względem wielkości i masy naturalnym satelitą w Układzie Słonecznym. Jest np. zarówno cięższy jak i większy od słynnego księżyca Jowisza: Europy. Chociaż Europa w przeciwieństwie do Księżyca posiada równowagę hydrostatyczną.
Najmniejszym obiektem w Układzie Słonecznym, który został uznany za tzw. księżyc o masie planetarnej jest Mimas (jeden z księżyców Saturna). Jest on znacznie mniejszy od Księżyca, ale został zakwalifikowany do księżyców o masie planetarnej ze względu na właściwości geofizyczne. Nie posiada również równowagi hydrostatycznej.
Dodatkowo na chwilę obecną wiemy, że możliwa jest sytuacja, że dane ciało niebieskie posiadało równowagę hydrostatyczną w przeszłości, natomiast pod wpływem gwałtownych wydarzeń utraciło ją. Przykładem takiego ciała niebieskiego jest Westa (która może być „gołym” jądrem protoplanetarnym!). Co ciekawe Phoebe, inny mniejszy księżyc Saturna prawdopodobnie w odległej przeszłości również posiadał równowagę hydrostatyczną, ale utracił ją w wyniku gwałtownych zdarzeń. Co więcej, Phoebe utraciła nie tylko równowagę hydrostatyczną, ale nawet dość znacznie odkształciła się od kulistego kształtu. Biorąc pod uwagę wszystkie te kwestie: jak wyznaczyć pewną dolną granicę masy dla planety? Czy jest to w ogóle możliwe, czy trzeba jednak zastosować inne mniej oczywiste parametry jak np. budowa wewnętrzna, zróżnicowanie geologiczne itp.? Równowaga hydrostatyczna nie jest pewnym i najlepszym gwarantem rozróżnienia pomiędzy planetoidą, a planetą karłowatą.
To jeszcze nie koniec. Robi się jeszcze dziwniej gdy uwzględnimy takie pojęcia jak np.:
– Plooneta. Pod pojęciem ploonety rozumiemy exoksiężyc, który został pozbawiony swojej macierzystej planety. Księżyc taki staje się dryfującym księżycem swobodnym – rozumiany jest wtedy jako planeta. Jednak tu pojawia się problem. Nie każdy oderwany exoksiężyc stanie się exoplanetą. Jeśli będzie wystarczająco mały, będzie raczej planetoidą lub asteroidą. Pojęcie oderwanego księżyca, czy swobodnego księżyca jest wysoce kłopotliwe dla przedstawianych tu rozważań. Pamiętajmy bowiem o tym, że Ganimedes bez Jowisza byłby uznany za planetę.;
– Moonmoon. Jako moonmoon rozumiemy podksiężyc (subksiężyc), a prościej oznacza to księżyc księżyca. Nie ma co prawda większej wątpliwości, co do kategoryzacji tego typu obiektów. Jeżeli będą one jednak większych rozmiarów, takie wątpliwości mogą się pojawić.
Powyższe przykłady pokazują, że ani kryterium masy, ani kryterium uzyskania kulistego kształtu pod wpływem równowagi hydrostatycznej, nie są wystarczające do określenia czy dany obiekt jest planetą, czy nie. Wydaje się, że najlepiej byłoby zastosować tutaj oba kryteria, dodatkowo podpierając się innymi kryteriami fizycznymi lub wręcz cechami geologicznymi danego obiektu. Można uwzględnić również kryterium bezpośredniego orbitowania wokół obiektu gwiazdowego, lub jego szczątków – ale trzeba pamiętać, że będzie ono problematyczne w przypadku planet swobodnych. Wyjściem mogłoby być uznanie, że jest ono obligatoryjne tylko dla obiektów orbitujących. Istnieje również możliwość wyłączenia planet swobodnych z tego katalogu i zakwalifikować je jako planemo. Pojęcie to także wymaga doprecyzowania. Decyzje takie muszą zostać jasno zakomunikowane i określone.
Na koniec, trzeba poruszyć ostatnie kryterium w nowej definicji planety. Górną masę graniczną planety, ustaloną na 13 mas Jowisza (2,5 x 1028 kg). Masa ta nie jest przypadkowa. Uważa się, że jest to masa graniczna dla syntezy deuteru we wnętrzach brązowych podkarłów (granica umowna, co jest ważne dla rozważań). Tu mamy jednak naprawdę poważny problem. Nie jest do końca jasne, czy każdy obiekt o takiej masie (lub wyższej) przeprowadza syntezę deuteru. Po drugie, jest to dość trudne do weryfikacji.
Symulacje wskazują, że aby obłok gazu zapadł się tworząc brązowego podkarła, jego masa minimalna wynosi niemal dokładnie… 1 masę Jowisza. Znamy kandydatów na brązowe podkarły, które mają masę ok. 3 Jowiszy. Co więcej istnieją brązowe karły, których temperatura powierzchni (wyrażona w Celsjuszach) jest… ujemna! Brązowe podkarły oscylujące w tych przedziałach masowych, są określane mianem brązowych karłów o masie planetarnej.
To jednak nie koniec. Tak jak brązowe podkarły „zahaczają” o masy planetarne, tak istnieje pewna wysoce problematyczna klasa obiektów zwanych super-Jowiszami. Super-Jowisz to obiekt, który jest mniej więcej rozmiarów Jowisza, ale posiada dużo większą masę. Problem polega na tym, że różne katalogi exoplanet zawierają obiekty nawet o masie dochodzącej do 60 mas Jowiszy (co jest moim zdaniem przesadą). Uważa się, że obiekt potrafi przeprowadzać syntezę „standardowego” wodoru posiadając masę ok. 75 mas Jowisza. Jest to pełnoprawna gwiazda. Super-Jowisze są problematyczne, nie bardzo wiadomo jak je kwalifikować. Najprościej byłoby zakwalifikować wszystkie obiekty powyżej 13 mas Jowisza jako brązowe karły. Nie jestem pewien, czy takie rozwiązanie pokrywałoby się z rzeczywistością. Czy np. wszystkie te obiekty przeprowadzają syntezę deuteru w jądrze? Co z tzw. gorącymi Jowiszami, rozgrzanymi „sztucznie” przez pobliską gwiazdę, często do ogromnych wartości? Co z obiektami o mniejszej niż 13 mas Jowisza, które wiadomo, że przeprowadzają syntezę deuteru w jądrze? Istnieje również inna strona medalu, istnieją gazowe olbrzymy, które rozmiarami są większe od Jowisza, ale posiadają mniejszą masę. Problem na granicy super-Jowiszy i brązowych podkarłów jest jednym z najpoważniejszych na tej liście i na chwilę obecną, szczerze powiedziawszy, nie widzę rozwiązania. Ani kryterium masy, ani kryterium rozmiaru czy temperatury nie jest tu w mojej ocenie rozstrzygające.
Ja widzę tylko jedno kryterium, które powinno być definitywnie rozstrzygające, czy dany obiekt to gazowy olbrzym, czy brązowy podkarzeł. Potrafisz przeprowadzać syntezę deuteru w jądrze: jesteś brązowym karłem, nie potrafisz: jesteś gazowym olbrzymem. Zdaję sobie jednak sprawę, że obecnie może to być niewiarygodnie trudne lub wręcz niemożliwe do weryfikacji. Zwłaszcza w przypadku brązowych podkarłów o masie planetarnej, czy np. gorących Jowiszy.
Podsumowując, ogromny postęp jaki dokonał się w obszarze odkryć planet pozasłonecznych, przyniósł również nowe problemy w obszarze systematyki i definicjach pojęć. Dziś wiemy już, że obiektów w kosmosie nie da się tak łatwo zaszufladkować. Nie są to oddzielne pudełka, a raczej continuum płynnie przechodzące z jednej klasy obiektów do innej. I tak oto asteroidy przechodzą w planetoidy, planetoidy w planety karłowate, te zaś w planety, planety w brązowe karły, a te w gwiazdy. Uważam, że definicję asteroid i planetoid, które dzisiaj są używane zamiennie, również trzeba rozgraniczyć. Ciężko bowiem porównywać 20 m głazy, z kilkukilometrowymi lub kilkusetkilometrowymi gigantycznymi skałami, które posiadają własną geologię. Tutaj wprowadziłbym jednak czysto techniczne rozgraniczenie oparte na wielkości. Planetoidy byłyby w tym przypadku tymi większymi. Obiekty o uśrednionej wielkości 1 km średnicy (średni promień 500 m, ze względu na fakt, że obiekty te często mają nieregularny kształt) uznałbym już za małe planetoidy.
Tak jak wspominałem w swoim pierwszym artykule https://ekliptykos.com/2024/04/15/poczatek-podrozy/ we współczesnej kosmologii na bazie odkryć teleskopu Webba pojawił się bardzo poważny kryzys. Do tego pojawił się dość poważny kryzys i zamęt w obszarze definicji w planetologii i ogólnie w astronomii, związany z masowym przyrostem danych odnośnie exoplanet.
A mówią, że od przybytku głowa nie boli. Jak się okazuje, czasem jednak boli.
