Телескоп James Webb допоміг розгадати найбільшу таємницю супер-Юпітерів

Нові спостереження зоряної системи HR 8799, що розташована на відстані близько 133 світлових років від Землі у сузір'ї Пегаса, дозволили детально дослідити атмосфери цих колосальних світів. Як повідомляють автори дослідження, отримані дані відкривають завісу над процесами формування планет-гігантів на околицях далеких зірок. Про це пише SciTechDaily.

Як народжуються планети-гіганти на околицях зоряних систем?

Планети системи HR 8799 є справжніми гігантами, чия маса варіюється від 5 до 10 мас Юпітера. Вони обертаються на величезній відстані від своєї материнської зорі – від 15 до 70 астрономічних одиниць. Навіть найближча до світила планета розташована у 15 разів далі, ніж Земля від Сонця. Такі екстремальні параметри тривалий час створювали серйозні проблеми для класичних теорій формування планет.

Учені висували дві основні гіпотези:

• Перша – гравітаційна нестабільність, коли частина газового диска навколо молодої зорі швидко колапсує під власною вагою, утворюючи масивне тіло. Цей процес більше нагадує народження зірок.
• Друга теорія – акреція ядра.

Акреція ядра – це процес, схожий на ліплення снігової кулі в космосі. Спочатку у пиловому диску навколо молодої зірки дрібні кам'яні та крижані частинки зліплюються в тверде ядро. Коли воно стає достатньо великим, його гравітація швидко притягує величезні об'єми навколишнього газу, утворюючи планету-гігант. Традиційні моделі припускали, що планети такої великої маси просто не встигли б сформуватися цим шляхом до того, як молода зірка розсіє навколишній диск газу та пилу.

Спектроскопія приходить на допомогу

Щоб розгадати цю таємницю, астрономи використали метод спектроскопії. Це дослідження можна порівняти з аналізом відбитків пальців, але для світла. Коли світло проходить крізь атмосферу планети, різні хімічні речовини поглинають певні його кольори. Розщеплюючи це світло на спектр, вчені бачать темні лінії-відбитки і дізнаються, які саме гази є на планеті.

До появи телескопа Джеймса Вебба астрономи здебільшого покладалися на наземні телескопи для вимірювання молекул води та чадного газу в атмосферах екзопланет. Проте згодом дослідники зрозуміли, що молекули, які містять вуглець і кисень, не є найкращими індикаторами формування планет, оскільки їхнє походження важко відстежити.

Замість цього команда зосередилася на більш стабільних матеріалах – тугоплавких (рефракторних) елементах. Сірка є одним із таких елементів і існує лише в твердому стані всередині протопланетного диска, де формуються планети. Виявлення сірки в атмосфері газового гіганта є потужним доказом того, що планета утворилася саме шляхом акреції ядра.

Завдяки безпрецедентній чутливості спектрографа JWST, який працює у космосі без перешкод з боку земної атмосфери, вчені вперше виявили детальні хімічні підписи кількох рідкісних молекул в атмосферах трьох внутрішніх газових гігантів системи HR 8799. Серед них – вода (H₂O), чадний газ (CO), метан (CH₄), вуглекислий газ (CO₂), сірководень (H₂S), а також ізотопологи ¹³CO та C₁₈O. При цьому сірководень (H₂S) на цих планетах було виявлено вперше.

Найчіткіші докази присутності сірки зафіксували на планеті HR 8799 c, хоча дослідники припускають, що вона є на всіх трьох внутрішніх планетах системи. Крім того, ці планети виявилися значно багатшими на важкі елементи (зокрема вуглець і кисень), ніж їхня батьківська зірка. Таке збагачення металами є ще одним вагомим підтвердженням того, що ці об'єкти сформувалися саме як планети.

Перешкоди на шляху

Це відкриття вимагало подолання серйозних технічних викликів. Планети системи HR 8799 приблизно в 10 000 разів тьмяніші за свою зірку, а спектрограф JWST спочатку не був розроблений для таких спостережень.

Жан-Батист Руффіо розробив нові методи аналізу даних, щоб відокремити слабкі сигнали планет від сліпучого світла зірки. Джеррі Сюань побудував передові атмосферні моделі для порівняння зі спостереженнями JWST, щоб визначити наявність сірки. Свої результати вони оприлюднили в журналі Nature Astronomy.

Завдяки своїй безпрецедентній чутливості JWST дозволяє проводити найдетальніше дослідження атмосфер цих планет, даючи нам підказки щодо шляхів їхнього формування. З виявленням сірки ми можемо зробити висновок, що планети HR 8799, ймовірно, сформувалися подібним до Юпітера чином, незважаючи на те, що вони в п'ять-десять разів масивніші, що було несподівано,
– прокоментував Жан-Батист Руффіо, перший співавтор дослідження, науковий співробітник Каліфорнійського університету в Сан-Дієго.

Для аналізу отриманих спектрів астрономам довелося суттєво вдосконалити наявні комп'ютерні моделі, оскільки старі інструменти не відповідали високій якості даних космічного телескопа.

"Якість даних JWST є справді революційною, тому існуючі сітки атмосферних моделей були просто непідходящими. Щоб повністю вловити те, про що нам говорили дані, я ітеративно вдосконалював хімію та фізику в моделях. Зрештою, ми виявили кілька молекул на цих планетах. Деякі вперше, включаючи сірководень", – каже Джеррі Сюань з Каліфорнійського технологічного інституту та Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі.

Нові результати змушують наукову спільноту переглянути застарілі уявлення про те, де саме і за яких умов можуть народжуватися газові гіганти.

Існує багато моделей формування планет, які варто розглянути. Я думаю, це показує, що старіші моделі акреції ядра застаріли. І з новіших моделей ми розглядаємо ті, де газові гіганти можуть формувати тверді ядра дуже далеко від своєї зірки,
– додає Квін Конопакі, співавторка дослідження, професорка астрономії та астрофізики Каліфорнійського університету в Сан-Дієго.

Зрештою, це дослідження наближає нас до вирішення фундаментального питання про класифікацію космічних тіл: "Я думаю, питання в тому, наскільки великою може бути планета. Чи може планета бути в 15, 20, 30 разів масивнішою за Юпітер і все одно сформуватися як планета? Де проходить межа між формуванням планет і формуванням коричневих карликів?" – говорить Жан-Батист Руффіо.

Чому межа між планетами-гігантами та коричневими карликами так довго залишалася загадкою?

Космічні об'єкти, що перебувають на межі між планетами-гігантами та повноцінними світилами, тривалий час були однією з найбільших таємниць для астрономів. Коричневі карлики, які в науковому світі часто називають "зірками-невдахами", мають масу від 13 до 80 мас Юпітера. Цього недостатньо для запуску повноцінного термоядерного синтезу водню, проте вони є значно масивнішими за звичайні планети, а тому сильніше розігріваються й випромінюють слабке світло, ніби дуже-дуже тьмяна зоря.

Довгий час дослідження цих відносно тьмяних тіл було серйозним викликом, адже земна атмосфера викривляла слабкі світлові сигнали, заважаючи наземним обсерваторіям отримати точні дані.

Ситуація кардинально змінилася з початком роботи космічного телескопа імені Джеймса Вебба. Надчутлива апаратура обсерваторії дозволила астрономам зазирнути вглиб атмосфер далеких екзопланет. Завдяки детальному спектральному аналізу вчені тепер можуть визначати точний хімічний склад небесних тіл. Це дає прямі підказки про умови та механізми їхнього формування мільйони років тому, допомагаючи реконструювати еволюцію планетних систем.

Ключова відмінність між зорями, коричневими карликами та газовими гігантами

Відмінність між цими космічними тілами полягає у процесі їхнього народження. Зірки та коричневі карлики утворюються внаслідок прямого гравітаційного колапсу газової хмари. Натомість планети поступово формуються всередині навколозоряного диска навколо вже існуючого світила. Виявлення важких елементів та специфічних сполук, зокрема сірководню, в атмосферах гігантів є ключовим хімічним "відбитком пальців". Це є прямим доказом того, що об'єкт утворився шляхом поступового накопичення речовини навколо твердого ядра (акреції ядра), а не через колапс газу.

Дослідження подібних систем допомагає краще зрозуміти й історію нашої власної Сонячної системи. Наприклад, нещодавно німецькі астрофізики з Інституту досліджень Сонячної системи імені Макса Планка з'ясували, що безпосередньо за орбітою нашого Юпітера близько 4,6 мільярда років тому існувала унікальна кільцева область високого тиску газу. Ця "пастка" затримувала пил і дрібні кам'яні грудки, ставши справжньою фабрикою для формування планетезималів, з яких згодом утворилися планети та астероїди.

Це дослідження має фундаментальне значення для сучасної астрофізики, оскільки воно змушує вчених переглянути наявні теорії формування планет-гігантів. Виявлення сірки та високого рівня збагачення важкими елементами в атмосферах планет системи HR 8799 доводить, що навіть надзвичайно масивні світи на величезних відстанях від своїх зірок можуть формуватися за тим самим сценарієм акреції ядра, що й наш Юпітер.