Космічний телескоп James Webb дозволив науковцям як слід роздивитися кілька об’єктів за межами Сонячної системи. Завдяки цьому астрономи краще зрозуміли, де пролягає межа між планетами та зорями.
Як утворюються планети та зорі
Планети, подібні до тих, що є в нашій Сонячній системі, утворюються в результаті процесу «знизу вгору», коли дрібні уламки скель і льоду згущуються і з часом стають більшими. Але чим масивніша планета, тим складніше пояснити її утворення таким чином.
Астрономи за допомогою космічного телескопа James Webb NASA дослідили 29 Лебедя b — об’єкт, маса якого приблизно в 15 разів перевищує масу Юпітера і який обертається навколо сусідньої зорі. Вони виявили численні докази того, що 29 Лебедя b дійсно утворився в результаті процесу «знизу вгору», що дало нове розуміння того, як з’явилися наймасивніші планети.
Вважається, що процес формування планет відбувається у гігантських дисках газу та пилу навколо зір у результаті процесу, який називається акрецією. Пил згущується в камінці, які зіштовхуються і стають дедалі більшими, утворюючи протопланети, а зрештою — планети. Найбільші з них потім збирають газ і стають гігантами, такими як Юпітер. Оскільки формування газових гігантів займає більше часу, а диск з матеріалом для формування планет зрештою випаровується і зникає, у планетних системах у підсумку залишається набагато більше малих планет, ніж великих.
На відміну від цього, зорі утворюються, коли величезна хмара газу розпадається на фрагменти, й кожна із цих частин стискається під дією власної гравітації, стаючи меншою та щільнішою. Теоретично подібний процес розпаду може відбуватися й усередині протопланетних дисків. Це могло б пояснити, чому деякі дуже масивні об’єкти знаходять за мільярди кілометрів від своїх материнських зір — у регіонах, де протопланетний диск мав би бути надто розрідженим для того, щоб відбувалося накопичення речовини.
Астрономи використовували космічний телескоп James Webb NASA, щоб безпосередньо сфотографувати 29 Лебедя b. Вони виявили сліди важких хімічних елементів, таких як вуглець і кисень, що переконливо свідчить про те, що цей об’єкт утворився, як і планета, шляхом акреції в протопланетному диску.
Гігант на межі двох механізмів
29 Лебедя b розташований на межі між тим, що можна пояснити цими двома різними механізмами. Його маса у 15 разів перевищує масу Юпітера, а орбіта навколо зорі пролягає на середній відстані 1,5 млрд миль (2,4 млрд км) — приблизно на такій самій відстані, як Уран у нашій Сонячній системі. Дослідницька група обрала 29 Лебедя b об’єктом дослідження, оскільки він міг утворитися в результаті будь-якого із цих процесів.
«У комп’ютерних моделях маси, що утворюються в результаті фрагментації диска, дуже легко перевищують масу 29 Лебедя b. Це найменша маса, яку можна було б обґрунтовано отримати. Але водночас це приблизно найбільша маса, яку можна отримати в результаті акреції», — зазначив головний автор дослідження Вільям Балмер з Університету Джонса Гопкінса та Наукового інституту космічного телескопа в Балтиморі.
Інфрачервоне спостереження планет та їхній хімічний склад
У межах програми спостережень Балмера використовувалася камера NIRCam (Near-Infrared Camera) телескопа James Webb у коронографічному режимі для отримання прямого зображення 29 Лебедя b. Ця планета була першим із чотирьох об’єктів, на які була спрямована програма, і всі вони, як відомо, мають масу від 1 до 15 разів більшу за масу Юпітера. Команда також вимагала, щоб об’єкти спостереження оберталися на відстані близько 9 млрд миль (15 млрд км) від своїх зір.
Усі планети були молодими й ще гарячими після свого утворення, їхня температура коливалася від приблизно 530 до 1000 градусів за Цельсієм. Це свідчило про те, що хімічний склад їхніх атмосфер був схожий на хімічний склад атмосфер планет у системі HR 8799, яку Балмер досліджував раніше.
Завдяки підбору відповідних фільтрів команда змогла виявити ознаки поглинання світла вуглекислим газом (CO₂) та оксидом вуглецю (CO), що дозволило визначити кількість цих важчих хімічних елементів, які астрономи узагальнено називають металами.
Вони знайшли переконливі докази того, що 29 Лебедя b збагачена металами у порівнянні зі своєю материнською зорею, яка за своїм складом схожа на наше Сонце. З огляду на масу планети, кількість важких елементів, що містяться в ній, еквівалентна приблизно 150 Землям. Це свідчить про те, що вона накопичила велику кількість збагачених металами твердих речовин із протопланетного диска.
Уточнення орбіти планети 29 Лебедя b
Команда також використала наземну систему оптичних телескопів під назвою CHARA (Центр астрономії з високою кутовою роздільною здатністю), щоб визначити, чи збігається орбіта планети з віссю обертання зорі. Вони підтвердили цей збіг, що цілком очікувано для об’єкта, який утворився з протопланетного диска.
«Нам вдалося оновити дані про орбіту планети, а також спостерігати за материнською зорею, щоб визначити її орієнтацію відносно цієї орбіти, — сказав Еш Мессьє, співавтор дослідження та аспірант Університету Джона Гопкінса. — Ми показали, що нахил планети добре збігається з віссю обертання зорі, що схоже на те, що ми бачимо у планет нашої Сонячної системи».
Подальші дослідження гігантських планет
У сукупності ці дані переконливо свідчать про те, що 29 Лебедя b утворилася в протопланетному диску в результаті швидкої акреції матеріалу, багатого на метали, а не в результаті фрагментації газу. Іншими словами, вона утворилася як планета, а не як зоря.
Збираючи дані про інші три об’єкти у межах своєї програми, команда планує шукати докази відмінностей у складі планет із меншою та більшою масою. Це має надати додаткові відомості про механізми їхнього утворення.
За матеріалами phys.org
