ApJ: экзопланеты-газовые гиганты образовались раньше, чем считалось ранее

Фото из открытых источников

Свежий взгляд на прошлые данные показывает, что экзопланеты с массами, подобными массе Юпитера, образовались гораздо раньше, чем считалось ранее, согласно новому исследованию. Результаты исследования Университета штата Огайо предоставляют новую информацию о сроках аккреции — процесса накопления большого количества газа, а также твердых частиц, богатых углеродом и кислородом, для создания больших планет, таких как Юпитер. Исследование опубликовано в The Astrophysical Journal.

Планеты формируются из протопланетных дисков, вращающихся облаков пыли и газа, которые являются идеальными ингредиентами для формирования планет. Это новое исследование предполагает, что аккреция происходит рано, когда диски массивны и намного моложе, чем считали исследователи ранее.

Хотя число новых подтвержденных экзопланет продолжает расти, происхождение этих миров и факторы, влияющие на их формирование, являются загадкой, которую ученые все еще пытаются решить. Например, изначально считалось, что для полного формирования экзопланет, подобных Юпитеру, требуется около 3–5 миллионов лет; недавние наблюдения теперь показывают, что для газового гиганта, такого как Юпитер, этот процесс, вероятно, ближе к 1–2 миллионам лет.

Это открытие бросает вызов существующим теориям исследователей относительно «возраста» протопланетных дисков, из которых образовались эти планеты, сказал Цзи Ван, автор исследования и доцент кафедры астрономии в Университете штата Огайо. Результаты могут привести ученых к переоценке и обновлению своих теорий формирования планет для Солнечной системы и других мест.

«Все, что мы знаем об экзопланетах, можно поместить в контекст Солнечной системы и наоборот», — сказал Ван. «Обычно формирование планет происходит по схеме снизу вверх, то есть начинается с небольших объектов, которые накапливаются, образуя более крупную планету, но на это требуется время».

Хотя экзопланетами называют планетарные объекты, орбиты которых находятся далеко за пределами нашей Солнечной системы, более глубокое понимание того, как они формируются, может помочь исследователям глубже понять эволюцию Солнечной системы и ранней Земли, формирование которой произошло намного позже образования Юпитера, но все равно находилось под его сильным влиянием.

Интерпретация «снизу вверх» формирования планет называется «теорией аккреции ядра», но другой возможный механизм формирования — это когда планеты формируются посредством гравитационной нестабильности, когда сгустки в диске вокруг звезды слишком массивны, чтобы поддерживать себя, и коллапсируют, образуя планеты. Поскольку история аккреции планеты может быть тесно связана с этими двумя убедительными, но взаимодополняющими механизмами формирования эволюции, сказал Ван, важно определить, какой процесс встречается чаще.

В ходе исследования была проанализирована выборка из семи газовых гигантов -экзопланет, химические свойства звезд и планет которых уже были напрямую измерены в ходе предыдущих исследований, и сравнены с данными по газовым гигантам в нашей Солнечной системе — Юпитеру и Сатурну.

Ван показал, что раннее формирование этих экзопланет согласуется с недавними доказательствами того, что Юпитер образовался гораздо раньше, чем считалось ранее. Это открытие основано на удивительно большом количестве твердых веществ, которые эти экзопланеты аккрецировали.

Все материалы, скопившиеся в начале формирования планеты, увеличивают металличность ее атмосферы, и, наблюдая за следами, которые они оставляют, исследователи могут измерить количество твердых веществ, когда-то собранных планетой.

По словам Вана, чем выше металличность, тем больше твердых веществ и металлов (всех элементов периодической таблицы, которые массивнее водорода и гелия) по предположениям ученых было аккрецировано в процессе формирования.

«Мы можем сделать вывод, что в среднем каждая из пяти исследованных планет накопила эквивалент 50 масс Земли в виде твердых частиц», — сказал он. «Такое большое количество твердых частиц можно обнаружить только в системе моложе 2 миллионов лет, но в нашей солнечной системе общее количество твердых частиц составляет всего порядка 30–50 масс Земли».

Эти новые данные подразумевают, что строительные блоки, используемые для формирования экзопланет, были доступны на более ранней стадии эволюции протопланетного диска, чем предполагалось ранее, и доступность этих строительных блоков значительно снизилась за миллионы лет. Поскольку ученые обычно не ожидают найти доказательства того, что планеты сформировались так рано, это открытие, которое нынешним теориям, вероятно, будет трудно согласовать, сказал Ван.

«Эти экзопланеты образовались так рано, что там все еще был большой запас металлов», — сказал Ван. «Это то, к чему научное сообщество не было полностью готово, так что теперь им придется потрудиться, чтобы придумать новые теории, чтобы это объяснить».

Поскольку газовые гиганты втягивают в себя огромное количество материи во время аккреции, их формирование и миграция в пространстве также влияет на развитие каменистых планет в других местах протопланетного диска. В солнечной системе это явление, как полагают, заставило Юпитер и Сатурн вытолкнуть Меркурий с его первоначальной орбиты и заставило Марс стать намного меньше Земли или Венеры.

Тем не менее, чтобы помочь астрономам, которые планируют проводить аналогичные анализы формирования планет в будущем, работа также предоставляет статистическую основу для определения общей массы твердой аккреции для любой другой экзопланеты, что, как отмечается в исследовании, может стать идеальным инструментом для изучения других видов сложных элементарных данных.

Хотя это исследование основывалось исключительно на архивных данных, Ван ожидает, что его работа будет дополнена новыми данными высокого разрешения, собранными с помощью более совершенных инструментов, таких как более мощные наземные астрономические обсерватории или технологии следующего поколения, такие как космический телескоп Джеймса Уэбба.

«Расширяя эту работу за счет более обширной выборки экзопланет, мы надеемся увидеть, что тенденция, изложенная в этой статье, продолжит сохраняться», — сказал Ван.