Телескоп Джеймс Уэбб изучает тайну рождения планет-гигантов
Газовые гиганты — это огромные планеты, состоящие в основном из водорода и гелия, лишенные твердой поверхности и скрывающие в своих недрах тайну своего происхождения. Долгое время астрономы спорили, рождаются ли такие планеты, как Юпитер, медленно, собирая вещество вокруг каменного ядра, или же они могут возникать «мгновенно», в результате стремительного коллапса газовых облаков, подобно тусклым звездам-карликам. Ответ, скрывавшийся в свете далеких звезд, наконец начал проясняться благодаря революционным возможностям космического телескопа «Джеймс Уэбб» и настойчивости ученых, решивших разгадать эту астрономическую головоломку.
Ключом к разгадке стала система звезды HR 8799, расположенная в 133 световых годах от нас. Эта система представляет собой увеличенную и молодую версию внешней части нашей Солнечной системы: здесь вокруг звезды обращаются четыре гигантские планеты, каждая из которых в 5–10 раз массивнее Юпитера. Их огромные массы и большие орбиты (ближайшая планета в 15 раз дальше от своей звезды, чем Земля от Солнца) поставили под сомнение классическую теорию аккреции ядра.
Согласно ей, планета должна постепенно наращивать твердое ядро из пыли и льда, и лишь достигнув достаточной массы, начинает стремительно захватывать газ из протопланетного диска. В случае HR 8799 казалось, что у планет просто не хватило бы времени до рассеяния диска, чтобы вырасти до наблюдаемых размеров, что наводило на мысль об альтернативном сценарии — быстром формировании через гравитационную нестабильность газового облака.
Чтобы определить истинный путь формирования, исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего обратились к тончайшему анализу атмосфер планет с помощью «Джеймса Уэбба». Вместо поиска привычных, но неоднозначных молекул вроде воды или угарного газа, они сосредоточились на «тугоплавких» элементах, таких как сера. Эти элементы конденсируются только в твердые частицы в протопланетном диске, и их наличие в атмосфере газового гиганта служит неоспоримым маркером того, что планета когда-то обладала твердым каменным ядром, то есть сформировалась именно путем аккреции.
Беспрецедентная чувствительность телескопа позволила впервые зафиксировать в атмосферах трех внутренних планет системы тонкие спектральные линии сероводорода — убедительное доказательство присутствия серы. Это стало настоящим прорывом, потребовавшим разработки новых методов анализа данных, поскольку сигнал от планет был в десятки тысяч раз слабее света их звезды.
Открытие оказалось неожиданным: несмотря на рекордные массы и огромные орбитальные расстояния, планеты системы HR 8799, судя по всему, сформировались тем же путем, что и Юпитер — через медленное наращивание ядра. Дополнительным доказательством стало обнаружение переизбытка тяжелых элементов (углерода и кислорода) в атмосферах планет по сравнению с их звездой, что характерно именно для планетарного, а не звездного пути формирования.
Это открытие заставляет пересмотреть существующие модели планетообразования. Оно показывает, что процесс аккреции ядра может работать на гораздо больших расстояниях от звезды и приводить к рождению куда более массивных миров, чем считалось ранее.
Теперь перед астрономами встает новый фундаментальный вопрос: где пролегает граница между планетой и коричневым карликом? Может ли объект в 20 или 30 масс Юпитера все еще считаться планетой, сформировавшейся из диска вокруг звезды? Система HR 8799, словно природная лаборатория, предоставила первые ответы. Однако работа только начинается, и «Джеймс Уэбб» продолжает вглядываться в глубины космоса, система за системой, постепенно раскрывая величественную и сложную историю рождения планет-гигантов.