Новые наблюдения звездной системы HR 8799, расположенной на расстоянии около 133 световых лет от Земли в созвездии Пегаса, позволили детально исследовать атмосферы этих колоссальных миров. Как сообщают авторы исследования, полученные данные приоткрывают завесу над процессами формирования планет-гигантов в окрестностях далеких звезд. Об этом пишет SciTechDaily.

Смотрите также Сколько на самом деле стоит астероид Психея, к которому человечество запустило космический аппарат

Как рождаются планеты-гиганты на окраинах звездных систем?

Планеты системы HR 8799 являются настоящими гигантами, чья масса варьируется от 5 до 10 масс Юпитера. Они вращаются на огромном расстоянии от своей материнской звезды – от 15 до 70 астрономических единиц. Даже самая близкая к светилу планета расположена в 15 раз дальше, чем Земля от Солнца. Такие экстремальные параметры долгое время создавали серьезные проблемы для классических теорий формирования планет.

Ученые выдвигали две основные гипотезы:

  • Первая – гравитационная нестабильность, когда часть газового диска вокруг молодой звезды быстро коллапсирует под собственным весом, образуя массивное тело. Этот процесс больше напоминает рождение звезд.
  • Вторая теория – аккреция ядра.

Аккреция ядра – это процесс, похожий на лепку снежного шара в космосе. Сначала в пылевом диске вокруг молодой звезды мелкие каменные и ледяные частицы слепляются в твердое ядро. Когда оно становится достаточно большим, его гравитация быстро притягивает огромные объемы окружающего газа, образуя планету-гигант. Традиционные модели предполагали, что планеты такой большой массы просто не успели бы сформироваться этим путем до того, как молодая звезда рассеет окружающий диск газа и пыли.

Спектроскопия приходит на помощь

Чтобы разгадать эту тайну, астрономы использовали метод спектроскопии. Это исследование можно сравнить с анализом отпечатков пальцев, но для света. Когда свет проходит сквозь атмосферу планеты, различные химические вещества поглощают определенные его цвета. Расщепляя этот свет на спектр, ученые видят темные линии-отпечатки и узнают, какие именно газы есть на планете.

До появления телескопа Джеймса Вебба астрономы в основном полагались на наземные телескопы для измерения молекул воды и угарного газа в атмосферах экзопланет. Однако впоследствии исследователи поняли, что молекулы, содержащие углерод и кислород, не являются лучшими индикаторами формирования планет, поскольку их происхождение трудно отследить.

Вместо этого команда сосредоточилась на более стабильных материалах – тугоплавких (рефракторных) элементах. Сера является одним из таких элементов и существует только в твердом состоянии внутри протопланетного диска, где формируются планеты. Обнаружение серы в атмосфере газового гиганта является мощным доказательством того, что планета образовалась именно путем аккреции ядра.

Благодаря беспрецедентной чувствительности спектрографа JWST, который работает в космосе без помех со стороны земной атмосферы, ученые впервые обнаружили детальные химические подписи нескольких редких молекул в атмосферах трех внутренних газовых гигантов системы HR 8799. Среди них – вода (H2O), угарный газ (CO), метан (CH4), углекислый газ (CO2), сероводород (H2S), а также изотопологи 13CO и C18O. При этом сероводород (H2S) на этих планетах был обнаружен впервые.

Четкие доказательства присутствия серы зафиксировали на планете HR 8799 c, хотя исследователи предполагают, что она есть на всех трех внутренних планетах системы. Кроме того, эти планеты оказались значительно богаче на тяжелые элементы (в частности углерод и кислород), чем их родительская звезда. Такое обогащение металлами является еще одним весомым подтверждением того, что эти объекты сформировались именно как планеты.

Препятствия на пути

Это открытие требовало преодоления серьезных технических вызовов. Планеты системы HR 8799 примерно в 10 000 раз тусклее своей звезды, а спектрограф JWST изначально не был разработан для таких наблюдений.

Жан-Батист Руффио разработал новые методы анализа данных, чтобы отделить слабые сигналы планет от ослепляющего света звезды. Джерри Сюань построил передовые атмосферные модели для сравнения с наблюдениями JWST, чтобы определить наличие серы. Свои результаты они обнародовали в журнале Nature Astronomy.

Благодаря своей беспрецедентной чувствительности JWST позволяет проводить детальное исследование атмосфер этих планет, давая нам подсказки относительно путей их формирования. С обнаружением серы мы можем сделать вывод, что планеты HR 8799, вероятно, сформировались подобным Юпитеру образом, несмотря на то, что они в пять-десять раз массивнее, что было неожиданно,
– прокомментировал Жан-Батист Руффио, первый соавтор исследования, научный сотрудник Калифорнийского университета в Сан-Диего.

Для анализа полученных спектров астрономам пришлось существенно усовершенствовать имеющиеся компьютерные модели, поскольку старые инструменты не соответствовали высокому качеству данных космического телескопа.

"Качество данных JWST является действительно революционным, поэтому существующие сетки атмосферных моделей были просто неподходящими. Чтобы полностью уловить то, о чем нам говорили данные, я итеративно совершенствовал химию и физику в моделях. В конце концов, мы обнаружили несколько молекул на этих планетах. Некоторые впервые, включая сероводород", – говорит Джерри Сюань из Калифорнийского технологического института и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.

Новые результаты заставляют научное сообщество пересмотреть устаревшие представления о том, где именно и при каких условиях могут рождаться газовые гиганты.

Существует много моделей формирования планет, которые стоит рассмотреть. Я думаю, это показывает, что старые модели аккреции ядра устарели. И из новых моделей мы рассматриваем те, где газовые гиганты могут формировать твердые ядра очень далеко от своей звезды,
– добавляет Квин Конопаки, соавтор исследования, профессор астрономии и астрофизики Калифорнийского университета в Сан-Диего.

В конце концов, это исследование приближает нас к решению фундаментального вопроса о классификации космических тел: "Я думаю, вопрос в том, насколько большой может быть планета. Может ли планета быть в 15, 20, 30 раз массивнее Юпитера и все равно сформироваться как планета? Где проходит граница между формированием планет и формированием коричневых карликов?" – говорит Жан-Батист Руффио.

Смотрите также Масштабнее, чем сама Ланиакея: какая самая большая структура во Вселенной

Почему граница между планетами-гигантами и коричневыми карликами так долго оставалась загадкой?

Космические объекты, находящиеся на границе между планетами-гигантами и полноценными светилами, долгое время были одной из самых больших тайн для астрономов. Коричневые карлики, которые в научном мире часто называют "звездами-неудачниками", имеют массу от 13 до 80 масс Юпитера. Этого недостаточно для запуска полноценного термоядерного синтеза водорода, однако они значительно массивнее обычных планет, а потому сильнее разогреваются и излучают слабый свет, будто очень-очень тусклая звезда.

Долгое время исследование этих относительно тусклых тел было серьезным вызовом, ведь земная атмосфера искажала слабые световые сигналы, мешая наземным обсерваториям получить точные данные.

Ситуация кардинально изменилась с началом работы космического телескопа имени Джеймса Уэбба. Сверхчувствительная аппаратура обсерватории позволила астрономам заглянуть вглубь атмосфер далеких экзопланет. Благодаря детальному спектральному анализу ученые теперь могут определять точный химический состав небесных тел. Это дает прямые подсказки об условиях и механизмах их формирования миллионы лет назад, помогая реконструировать эволюцию планетных систем.

Смотрите также 3D-печать на Марсе будет не такой, как на Земле, но новое открытие дает надежду на выживание колоний

Ключевое различие между звездами, коричневыми карликами и газовыми гигантами

Отличие между этими космическими телами заключается в процессе их рождения. Звезды и коричневые карлики образуются в результате прямого гравитационного коллапса газового облака. Зато планеты постепенно формируются внутри околозвездного диска вокруг уже существующего светила. Обнаружение тяжелых элементов и специфических соединений, в частности сероводорода, в атмосферах гигантов является ключевым химическим "отпечатком пальцев". Это является прямым доказательством того, что объект образовался путем постепенного накопления вещества вокруг твердого ядра (аккреции ядра), а не через коллапс газа.

Исследование подобных систем помогает лучше понять и историю нашей собственной Солнечной системы. Например, недавно немецкие астрофизики из Института исследований Солнечной системы имени Макса Планка выяснили, что непосредственно за орбитой нашего Юпитера около 4,6 миллиарда лет назад существовала уникальная кольцевая область высокого давления газа. Эта "ловушка" задерживала пыль и мелкие каменные комки, став настоящей фабрикой для формирования планетезималов, из которых впоследствии образовались планеты и астероиды.

Это исследование имеет фундаментальное значение для современной астрофизики, поскольку оно заставляет ученых пересмотреть имеющиеся теории формирования планет-гигантов. Обнаружение серы и высокого уровня обогащения тяжелыми элементами в атмосферах планет системы HR 8799 доказывает, что даже чрезвычайно массивные миры на огромных расстояниях от своих звезд могут формироваться по тому же сценарию аккреции ядра, что и наш Юпитер.