Открытие Уэбба подтвердило планетарное, а не звездное происхождение сверхтяжелого мира 29 Cygni b

Астрономы под руководством Уильяма Балмера из Университета Джонса Хопкинса использовали космический телескоп Джеймс Уэбб для изучения массивной планеты 29 Cygni b, масса которой в 15 раз превышает массу Юпитера. Они обнаружили убедительные доказательства того, что этот объект сформировался в процессе «снизу вверх» путем аккреции твердых материалов из протопланетного диска, а не в результате гравитационной фрагментации газа, как звезда. Результаты этого исследования были опубликованы в журнале The Astrophysical Journal Letters.

Формирование планет, подобных тем, что находятся в Солнечной системе, традиционно описывается как процесс «снизу вверх». Этот механизм подразумевает, что мелкие кусочки камня и льда внутри гигантских дисков из газа и пыли вокруг молодых звезд слипаются, сталкиваются и постепенно увеличиваются в размерах, образуя сначала протопланеты, а затем и полноценные планеты.

Самые крупные из этих тел впоследствии накапливают газ, превращаясь в газовых гигантов наподобие Юпитера. Однако чем тяжелее планета, тем сложнее объяснить ее формирование исключительно этим путем, поскольку для роста газовых гигантов требуется много времени, а протопланетный диск, из которого берется материал, со временем испаряется и исчезает. В результате в большинстве планетных систем маленьких планет оказывается значительно больше, чем крупных.

Существует альтернативный механизм формирования, который обычно отвечает за появление звезд: огромное облако газа фрагментируется, и каждый фрагмент коллапсирует под действием собственной гравитации, становясь меньше и плотнее. Теоретически подобная фрагментация может происходить и внутри протопланетных дисков, что позволило бы объяснить существование очень массивных объектов, расположенных на огромных расстояниях от своих звезд-хозяев — в тех областях, где диск слишком разрежен для классической аккреции.

Планета 29 Cygni b находится на стыке этих двух механизмов. Ее масса в 15 раз превышает юпитерианскую, а вращается она вокруг своей звезды на среднем расстоянии около 2,4 миллиарда километров, что сопоставимо с расстоянием от Урана до Солнца в нашей системе. Именно эта пограничная масса и орбита сделали ее идеальной целью для исследования.

Ведущий автор исследования Уильям Балмер отметил, что в компьютерных моделях фрагментация диска легко приводит к образованию масс, значительно превышающих массу 29 Cygni b. По сути, это минимальная масса, которую можно правдоподобно получить при фрагментации, но одновременно она является максимальной массой, достижимой за счет аккреции.

Чтобы разобраться в природе объекта, команда использовала камеру ближнего инфракрасного диапазона (NIRCam) телескопа Уэбба в коронографическом режиме для прямого получения изображения планеты. 29 Cygni b стала первым из четырех объектов в наблюдательной программе Балмера, каждый из которых имеет массу от одной до пятнадцати масс Юпитер. Все эти планеты молоды и горячи — их температура составляет от 530 до 1000 градусов Цельсия, что гарантирует сходство химического состава их атмосфер и позволяет проводить сравнения.

Подобрав соответствующие фильтры, астрономы обнаружили признаки поглощения света углекислым газом и монооксидом углерода, что позволило им определить содержание более тяжелых химических элементов, которые астрономы называют металлами. Были получены убедительные доказательства того, что планета 29 Cygni b сильно обогащена металлами по сравнению со своей звездой-хозяином, которая по составу похожа на Солнце.

Учитывая массу планеты, количество тяжелых элементов в ней эквивалентно примерно 150 массам Земли. Это прямо указывает на то, что планета аккрецировала большое количество обогащенных металлами твердых веществ из протопланетного диска. Дополнительно команда использовала наземный оптический телескоп CHARA (Центр астрономии высокого углового разрешения), чтобы определить ориентацию орбиты планеты относительно оси вращения звезды. Как подтвердил аспирант Университета Джонса Хопкинса Эш Мессье, наклон планеты хорошо совпадает с осью вращения звезды — ситуация, аналогичная той, что наблюдается у планет в Солнечной системе.

Совокупность полученных данных — высокое содержание металлов, указывающее на аккрецию твердых тел, и совпадение орбиты планеты с осью вращения звезды, убедительно свидетельствует о том, что 29 Cygni b сформировалась в протопланетном диске в результате быстрой аккреции богатого металлами материала, а не путем гравитационной фрагментации газа.

Иными словами, этот объект, масса которого в 15 раз превышает массу Юпитера, образовался как планета, а не как звезда. В дальнейшем команда ученых планирует проанализировать данные по трем другим объектам своей программы, чтобы выявить различия в составе между планетами меньшей и большей массы и получить дополнительные сведения о механизмах их формирования.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях