Космический телескоп James Webb позволил ученым как следует рассмотреть несколько объектов вне Солнечной системы. Благодаря этому астрономы лучше поняли, где проходит граница между планетами и звездами.
Как образуются планеты и звезды
Планеты, подобные тем, что есть в нашей Солнечной системе, образуются в результате процесса «снизу вверх», когда мелкие обломки скал и льда сгущаются и со временем становятся больше. Но чем массивнее планета, тем сложнее объяснить ее образование таким образом.
Астрономы с помощью космического телескопа James Webb NASA исследовали 29 Лебедя b — объект, масса которого примерно в 15 раз превышает массу Юпитера и который вращается вокруг соседней звезды. Они обнаружили многочисленные доказательства того, что 29 Лебедя b действительно образовался в результате процесса «снизу вверх», что дало новое понимание того, как появились самые массивные планеты.
Принято считать, что процесс формирования планет происходит в гигантских дисках газа и пыли вокруг звезд в результате процесса, называемого аккрецией. Пыль сгущается в камешки, которые сталкиваются и становятся все больше, образуя протопланеты, а в конечном итоге — планеты. Самые крупные из них затем собирают газ и становятся гигантами, такими как Юпитер. Поскольку формирование газовых гигантов занимает больше времени, а диск с материалом для формирования планет в конечном итоге испаряется и исчезает, в планетных системах в результате остается гораздо больше малых планет, чем крупных.
В отличие от этого, звезды образуются, когда огромное облако газа распадается на фрагменты, и каждая из этих частей сжимается под действием собственной гравитации, становясь меньше и плотнее. Теоретически подобный процесс распада может происходить внутри протопланетных дисков. Это могло бы объяснить, почему некоторые очень массивные объекты находят в миллиардах километров от своих материнских звезд — в регионах, где протопланетный диск должен быть слишком разреженным для того, чтобы происходило накопление вещества.
Астрономы использовали космический телескоп James Webb NASA, чтобы непосредственно сфотографировать 29 Лебедя b. Они обнаружили следы тяжелых химических элементов, таких как углерод и кислород, что убедительно свидетельствует о том, что этот объект образовался, как и планета, путем аккреции в протопланетном диске.
Гигант на грани двух механизмов
29 Лебедя b находится на границе между тем, что можно объяснить этими двумя различными механизмами. Его масса в 15 раз превышает массу Юпитера, а орбита вокруг звезды пролегает на среднем расстоянии 1,5 млрд миль (2,4 млрд км) — примерно на таком же расстоянии, как Уран в нашей Солнечной системе. Исследовательская группа выбрала 29 Лебедя b объектом исследования, поскольку он мог образоваться в результате любого из этих процессов.
«В компьютерных моделях массы, образующиеся в результате фрагментации диска, очень легко превышают массу 29 Лебедя b. Это наименьшая масса, которую можно было бы обоснованно получить. Но в то же время это примерно самая большая масса, которую можно получить в результате аккреции», — отметил главный автор исследования Уильям Балмер из Университета Джонса Хопкинса и Научного института космического телескопа в Балтиморе.
Инфракрасное наблюдение планет и их химический состав
В рамках программы наблюдений Балмера использовалась камера NIRCam (Near-Infrared Camera) телескопа James Webb в коронографическом режиме для получения прямого изображения 29 Лебедя b. Эта планета была первым из четырех объектов, на которые была направлена программа, и все они, как известно, имеют массу от 1 до 15 раз больше массы Юпитера. Команда также требовала, чтобы объекты наблюдения вращались на расстоянии около 9 млрд миль (15 млрд км) от своих звезд.
Все планеты были молодыми и горячими после своего образования, их температура колебалась от примерно 530 до 1000 градусов по Цельсию. Это свидетельствовало о том, что химический состав их атмосфер походил на химический состав атмосфер планет в системе HR 8799, которую Балмер исследовал ранее.
Благодаря подбору соответствующих фильтров, команда смогла выявить признаки поглощения света углекислым газом (CO₂) и оксидом углерода (CO), что позволило определить количество этих более тяжелых химических элементов, которые астрономы обобщенно называют металлами.
Они нашли убедительные доказательства того, что 29 Лебедя b обогащена металлами по сравнению со своей материнской звездой, которая по своему составу похожа на наше Солнце. Учитывая массу планеты, количество содержащихся в ней тяжелых элементов эквивалентно примерно 150 Землям. Это свидетельствует о том, что она накопила большое количество обогащенных металлами твердых веществ из протопланетного диска.
Уточнение орбиты планеты 29 Лебедя b
Команда также использовала наземную систему оптических телескопов под названием CHARA (Центр астрономии с высоким угловым разрешением), чтобы определить, совпадает ли орбита планеты с осью вращения звезды. Они подтвердили это совпадение, что вполне ожидаемо для образовавшегося с протопланетного диска объекта.
«Нам удалось обновить данные об орбите планеты, а также провести наблюдения за материнской звездой, чтобы определить её ориентацию относительно этой орбиты, — сказал Эш Мессье, соавтор исследования и аспирант Университета Джона Хопкинса. — Мы показали, что наклон планеты хорошо совпадает с осью вращения звезды, что похоже на то, что мы видим у планет нашей Солнечной системы».
Последующие исследования гигантских планет
В совокупности эти данные убедительно свидетельствуют о том, что 29 Лебедя b образовалась в протопланетном диске в результате быстрой аккреции материала, богатого металлами, а не в результате фрагментации газа. Другими словами, она образовалась как планета, а не как звезда.
Собирая данные о других трех объектах в рамках своей программы, команда планирует искать доказательства отличий в составе планет с меньшей и большей массой. Это должно предоставить дополнительные сведения о механизмах их образования.
По материалам phys.org
