Пересмотр границ: как рождаются сверхгигантские планеты?

Астрономы, возможно, только что отодвинули верхний предел размеров для того, что считается планетой, благодаря новому пониманию процессов формирования гигантских миров.

Новые наблюдения космического телескопа NASA «Джеймс Уэбб» (JWST) свидетельствуют, что даже чрезвычайно массивные газовые гиганты — когда-то считавшиеся слишком большими для формирования по стандартному планетарному сценарию — могут расти в результате того же базового процесса. Это меняет представления учёных о том, как отличить массивные планеты от коричневых карликов.

Эти выводы сделаны при детальном изучении системы HR 8799, молодой солнцеподобной звезды в 133 световых годах от Земли, вокруг которой вращаются четыре огромных газовых гиганта на большом удалении от родительской звезды. Масса каждого из этих миров составляет от пяти до десяти масс Юпитера — крупнейшей планеты нашей Солнечной системы. Это помещает их в размытую пограничную зону между планетами и коричневыми карликами — субзвёздными объектами, в недрах которых идёт термоядерное горение дейтерия, но не водорода, как у звёзд, за что их прозвали «несостоявшимися звёздами».

Годами астрономы спорили, могут ли планеты такой массы формироваться путём аккреции ядра — медленного, «снизу вверх» процесса, при котором твёрдый материал слипается в плотное ядро, которое затем притягивает огромные объёмы газа. На экстремальных орбитальных расстояниях, где материи мало, а протопланетные диски рассеиваются быстро, многие исследователи полагали, что у этого механизма просто не хватит времени, чтобы создать столь крупные объекты.

Чтобы проверить это предположение, команда использовала мощные инфракрасные спектрографы JWST для анализа химического состава атмосфер планет. Вместо поиска обычных газов, таких как водяной пар или угарный газ, учёные искали молекулы, содержащие серу — элементы, которые изначально существуют в виде твёрдых частиц в молодом протопланетном диске и, следовательно, указывают на формирование планеты путём аккреции ядра.

Спектральные данные с JWST выявили сероводород в атмосфере HR 8799 c, одного из внутренних гигантов системы. Это стало веским доказательством того, что планета сформировалась, сначала собрав твёрдое ядро, а затем стремительно аккумулировав газ. Объяснить такое химическое «свидетельство» иным путём — например, быстрым, подобным звёздному, гравитационным коллапсом газа — было бы крайне сложно. Команда также обнаружила, что планеты обогащены тяжёлыми элементами, такими как углерод и кислород, сильнее, чем их звезда, что также поддерживает их планетарное происхождение.

«Обнаружив серу, мы смогли сделать вывод, что планеты системы HR 8799, вероятно, сформировались так же, как Юпитер, несмотря на то, что они в пять-десять раз массивнее. Это было неожиданно», — заявил ведущий автор исследования Жан-Батист Руффио.

Таким образом, исследование показывает, что аккреция ядра может эффективно работать даже при экстремальных массах и расстояниях, расширяя известные границы процесса планетообразования. Если это подтвердится в других системах, открытие может заставить астрономов пересмотреть, где и как проводится граница между гигантскими планетами и коричневыми карликами.

Это открытие имеет далеко идущие последствия для планетологии. Оно предполагает, что наше традиционное разделение объектов по массе может быть менее фундаментальным, чем различие в механизме их рождения. Возможно, ключевой критерий — не масса сама по себе, а химическая «летопись» формирования, зашифрованная в составе атмосферы.

Более того, обнаружение таких «сверхюпитеров», сформировавшихся путём аккреции на большом удалении от звезды, ставит под сомнение некоторые модели эволюции протопланетных дисков. Это указывает на то, что либо диски более массивны и долгоживущи, чем считалось, либо существуют ещё не открытые механизмы, ускоряющие рост планетарных ядер на периферии систем.

В будущем поиск серосодержащих соединений с помощью JWST в атмосферах других массивных объектов-кандидатов станет мощным инструментом для классификации. Это поможет навести порядок в «зоопарке» обнаруженных экзопланет и окончательно определить, где заканчиваются планеты и начинаются «несостоявшиеся звёзды». В конечном счёте, это приближает нас к пониманию полного спектра возможных планетарных систем в нашей Галактике.