Astronomowie potwierdzili istnienie dwóch olbrzymich planet krążących wokół gwiazdy TOI-791. Choć rozmiarami przypominają Jowisza, należą do najmniej gęstych planet, jakie kiedykolwiek odkryto. To odkrycie może pomóc odpowiedzieć na pytanie, jak powstają gazowe olbrzymy i dlaczego niektóre z nich pozostają niemal „napompowane” przez miliardy lat

W katalogach egzoplanet dominują dwa typy gazowych olbrzymów. Z jednej strony są gorące Jowisze, krążące bardzo blisko swoich gwiazd i obiegające je w ciągu kilku dni. Z drugiej – znacznie chłodniejsze planety o orbitach przypominających orbitę Jowisza w Układzie Słonecznym, które znacznie trudniej wykryć. Pomiędzy nimi znajduje się słabiej poznana grupa tzw. ciepłych Jowiszów. To właśnie do niej należą TOI-791 b i TOI-791 c.

Obie planety okrążają gwiazdę typu F7 oddaloną o około 341 lat świetlnych od Ziemi. Wewnętrzna wykonuje pełny obieg w 139 dni, zewnętrzna w 232 dni. Tak długie okresy orbitalne sprawiają, że ich tranzyty są rzadkie i wyjątkowo trudne do obserwacji.

Naukowcy wykorzystali dane z kosmicznego teleskopu TESS, a następnie potwierdzili odkrycie dzięki obserwacjom naziemnym, między innymi z teleskopu ASTEP na Antarktydzie. Dzięki polarnej nocy instrument może śledzić wielogodzinne tranzyty niemal bez przerw, czego nie zapewniają obserwatoria na niższych szerokościach geograficznych.

To właśnie ASTEP umożliwił pełną rejestrację wyjątkowo długich przejść obu planet przed tarczą gwiazdy. Autorzy podkreślają, że są to najdłuższe tranzyty w całości zaobserwowane z powierzchni Ziemi.

Duże jak Jowisz, lekkie jak Saturn – i jeszcze lżejsze

Największym zaskoczeniem okazała się nie wielkość planet, lecz ich masa. Zespół wykorzystał zjawisko zmian czasu tranzytów (Transit Timing Variations, TTV), pojawiające się wtedy, gdy planety oddziałują na siebie grawitacyjnie. Niewielkie przyspieszenia i opóźnienia kolejnych tranzytów pozwalają oszacować ich masę nawet wtedy, gdy klasyczne pomiary prędkości radialnych są niewystarczające.

Analiza wykazała, że należą one do najmniej gęstych gazowych olbrzymów znanych astronomii. Ich średnia gęstość wynosi odpowiednio około 0,15 i 0,11 g/cm³. Dla porównania Saturn – najmniej gęsta planeta Układu Słonecznego – ma gęstość około 0,69 g/cm³. Oznacza to, że TOI-791 b i TOI-791 c są kilkukrotnie mniej gęste od Saturna i należą do najbardziej „napompowanych” planet odkrytych do tej pory.

Podobnymi właściwościami charakteryzują się jedynie planety z układu Kepler-51, określane mianem super-puff. Ich niezwykle mała gęstość pozostaje jedną z największych zagadek współczesnej planetologii.

Jak powstają tak lekkie planety?

Jedna z hipotez zakłada, że planety tego typu mają bardzo rozległe atmosfery złożone głównie z wodoru i helu. Gaz zajmuje ogromną objętość, ale stanowi stosunkowo niewielką część masy. Oznaczałoby to, że planety powstały daleko od swojej gwiazdy, gdzie przez długi czas mogły gromadzić materiał z dysku protoplanetarnego, a dopiero później przemieściły się na obecne orbity.

Inna hipoteza sugeruje, że część obiektów uznawanych za super-puffy może być otoczona rozległymi systemami pierścieni. Podczas tranzytu sprawiają one wrażenie, jakby planeta była znacznie większa. Na razie dostępne dane nie pozwalają rozstrzygnąć, który z tych scenariuszy jest prawdziwy.

Za wspólną historią obu planet przemawia także ich niemal idealny rezonans orbitalny. Na każde trzy obiegi planety zewnętrznej wewnętrzna wykonuje niemal dokładnie pięć. Taki układ świadczy o silnych oddziaływaniach grawitacyjnych i sugeruje, że obie migrowały przez dysk gazowy razem, zachowując wzajemne ustawienie. Ponad 95 proc. analizowanych modeli wskazuje, że rzeczywiście pozostają w rezonansie 5:3.

Układy z dwiema tranzytującymi planetami wielkości Jowisza należą do wyjątkowej rzadkości. TOI-791 jest dopiero dziewiątym znanym systemem tego typu. Jednocześnie parametry obu planet sprawiają, że są one doskonałym celem dalszych badań. Obserwacje prowadzone za pomocą Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba mogą ujawnić skład ich atmosfer, a kolejne lata pomiarów pozwolą dokładniej wyznaczyć ich masy i odtworzyć historię całego układu.

Źródło: Georgina Dransfield i współautorzy, ASTEP confirmation of a pair of long-period Jupiter-sized planets with extremely low densities transiting TOI-791, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2026).

• Nauki ścisłe i nauki o Ziemi