Вчені виявили планету, відповідальну за спіральні рукави навколо своєї зірки

Ілюстрації Чумацького Шляху демонструють спіральну конструкцію «рукав», наповнених зірками, які випромінюються від центру. Подібні утворення спостерігаються в обертових масах газу та пилу, що оточують деякі молоді зірки – планетні системи, що формуються.

Ці протопланетні диски, які служать колисками для новонароджених планет, інтригують дослідників, оскільки вони відкривають вікно як на ранніх стадіях нашої власної Сонячної системи, так і на формування планет загалом. Довгий час вчені припускали, що спіральні відгалуження в цих дисках можуть бути викликані планетами, що зароджуються, але до цього часу їх не було виявлено.

У статті, опублікованій в журналі  Nature Astronomy, дослідники Університету Арізони повідомляють про відкриття гігантської екзопланети під назвою MWC 758c, яка, можливо, створює спіральні рукави у своїй зародженій планетарній системі. Астрономи Університету Аризони також пропонують можливості того, чому вчені намагалися знайти цю планету в минулому, а також як їхні методи можуть бути застосовані для виявлення інших прихованих планет за подібних обставин.

«Наше дослідження надає переконливі докази того, що ці спіральні рукави спричинені гігантськими планетами», — сказав Кевін Вагнер, провідний автор статті та докторант Обсерваторії Стюарда Університету Аризони. «І з новим космічним телескопом Джеймса Вебба ми зможемо додатково перевірити та підтримати цю ідею, шукаючи більше планет, подібних до MWC 758c».

Планетна система MWC 758 спостерігалася за допомогою інтерферометра Великого бінокулярного телескопа (LBTI) в інфрачервоному діапазоні. Теоретичне моделювання показує, що нещодавно відкрита планета «с», ймовірно, відповідає за спіральний візерунок у диску газу та пилу, що оточує молоду зірку. Авторство зображення: К. Вагнер та ін.

Зірка планети розташована на відстані приблизно 500 світлових років від Землі, і їй лише кілька мільйонів років – це ембріон порівняно з нашим власним Сонцем віком 4,6 мільярда років. Отже, система все ще має протопланетний диск, оскільки потрібно близько 10 мільйонів років, щоб уламки, що кружляють, були викинуті з системи, поглинені зіркою або сформовані в планети, місяці, астероїди та комети. Виразний спіральний візерунок в уламках цієї системи вперше був виявлений  у 2013 році, і астрономи швидко вказали на зв’язок із  теоретичним моделюванням  формування планет-гігантів.

«Я думаю про цю систему як про аналогію того, як наша власна Сонячна система виглядала б менше ніж на 1% від часу її існування», — сказав Вагнер. « Юпітер , будучи гігантською планетою, також, ймовірно, взаємодіяв з нашим власним диском і гравітаційно сформував його мільярди років тому, що зрештою призвело до формування Землі».

Астрономи зробили зображення більшості протопланетних дисків у зоряних системах, які можна побачити за допомогою сучасних телескопів. З приблизно 30 ідентифікованих дисків  приблизно одна третина  має спіральні рукави – помітні завихрення в частинках газу та пилу диска.

«Спіральні рукави можуть забезпечити зворотний зв’язок щодо самого процесу формування планети», — сказав Вагнер. «Наші спостереження за цією новою планетою ще більше підтверджують ідею про те, що гігантські планети формуються на ранній стадії, нарощуючи масу з середовища свого народження, а потім гравітаційно змінюють подальше середовище для формування інших, менших планет».

Спіральні рукави утворюються завдяки гравітаційному тяжінню орбітального компаньйона до матеріалу, що обертається навколо зірки. Іншими словами, присутність масивного компаньйона, такого як гігантська планета, мала викликати спіральний малюнок на диску. Однак  попередні спроби  виявити відповідальну планету виявилися  марними  – досі.

Великий бінокулярний телескоп в Арізоні. Інструмент LBTI поєднує інфрачервоне світло від обох 8,4-метрових дзеркал для зображення планет і дисків навколо молодих і найближчих зірок. Авторство зображення: Д. Стіл, Обсерваторія великого бінокулярного телескопа

«Було відкритим питання, чому ми ще не бачили жодної з цих планет», — сказав Вагнер. «Більшість моделей формування планет припускають, що планети-гіганти повинні бути дуже яскравими незабаром після свого формування, і такі планети вже повинні бути виявлені».

Дослідники UArizona нарешті змогли виявити MWC 758c за допомогою великого бінокулярного телескопа-інтерферометра, або LBTI, інструменту UArizona, що з’єднує два 8,4-метрових головних дзеркала телескопа, які можуть спостерігати на більшій довжині хвилі в середньому інфрачервоному діапазоні, на відміну від більшості інші інструменти, що використовуються для спостереження за екзопланетами на коротших або блакитних хвилях. За словами Стіва Ертела, співавтора статті та провідного дослідника LBTI, прилад має камеру, яка може виявляти інфрачервоне світло подібно до космічного телескопа Джеймса Вебба NASA (JWST).

Незважаючи на те, що екзопланета, за оцінками, принаймні вдвічі більша за масу Юпітера, вона була невидима для інших телескопів через свій несподіваний червоний колір — «найчервоніша» планета з коли-небудь відкритих, сказав Ертель. Хвилі з більшою довжиною червоного кольору складніше виявити, ніж хвилі з меншою довжиною, через теплове світіння атмосфери Землі та самого телескопа. LBTI є одним із найчутливіших інфрачервоних телескопів, створених на сьогодні, і завдяки своєму більшому розміру може навіть перевершити JWST для виявлення планет, розташованих дуже близько до своїх зірок, наприклад MWC 758c.

«Ми пропонуємо дві різні моделі того, чому ця планета яскравіша на більших довжинах хвиль», — сказав Ертель. «Або це планета з нижчою температурою, ніж очікувалося, або це планета, яка все ще гаряча з моменту свого формування, і випадково вона оповита пилом».

«Якщо навколо цієї планети багато пилу, пил поглинатиме коротші хвилі або блакитне світло, через що планета буде виглядати яскравою лише на більш довгих і червоних хвилях», — сказала співавтор Кейтлін Краттер, астрофізик-теоретик з університету Аризони. «За іншим сценарієм холодніша планета, оточена меншою кількістю пилу, планета тьмяніша та випромінює більше світла на більшій довжині хвилі».

Вагнер сказав, що велика кількість пилу в околицях планети може свідчити про те, що планета все ще формується, і що вона може перебувати в процесі створення системи супутників, подібних до супутників Юпітера навколо Юпітера. З іншого боку, якщо планета слідує більш холодній моделі, у цих ранніх зоряних системах може відбуватися щось, що спричиняє формування планет холоднішими, ніж очікувалося, що спонукає планетологів переглянути свої моделі формування планет і стратегії виявлення екзопланет.

«У будь-якому випадку ми тепер знаємо, що нам потрібно почати шукати більш червоні протопланети в цих системах, які мають спіральні рукави», — сказав Вагнер.

Астрономи Університету Аризони очікують, що коли вони спостерігатимуть гігантську екзопланету за допомогою космічного телескопа Джеймса Вебба, вони зможуть зробити висновок щодо того, який із двох сценаріїв розігрується в системі зародження. Команді було надано час для використання JWST на початку 2024 року, щоб завершити ці спостереження.

«Залежно від результатів спостережень JWST, ми можемо почати застосовувати ці нові знання до інших зоряних систем, — сказав Вагнер, — і це дозволить нам робити прогнози про те, де можуть ховатися інші приховані планети, і дасть нам ідея щодо того, які властивості ми повинні шукати, щоб їх виявити». Джерело