Ученые обнаружили колоссальные загадки, связанные с «суперюпитерами»

Фото из открытых источников

Юпитер, возможно, и является королем планет в нашей Солнечной системе, но в других звездных системах по всей галактике еще более крупные планеты вращаются на расстоянии миллиардов миль от своих звезд — в местах, где традиционные теории формирования с трудом могут их объяснить.

В новом исследовании ученые изучили три массивных газовых гиганта, расположенных примерно в 130 световых годах от нас, используя химический состав их атмосфер для изучения того, как формируются такие огромные планеты. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Astronomy.

Вокруг звезды HR 8799, звезды типа F в созвездии Пегаса, вращаются четыре известных газовых гиганта. Все они колоссальны, их масса в 5-10 раз превышает массу Юпитера.

Используя спектры среднего разрешения, полученные с помощью прибора NIRSpec телескопа JWST, исследователи провели детальный анализ состава атмосферы трех самых внутренних планет системы в диапазоне длин волн от 3 до 5 микрон.

Газовые гиганты могут приближаться по массе к коричневым карликам — объектам, которые на короткое время образуются в результате термоядерного синтеза дейтерия, — однако астрономы считают, что эти два типа объектов формируются принципиально разными способами.

Коричневые карлики формируются подобно звёздам, в результате гравитационного коллапса сверху вниз, но им не хватает массы для поддержания термоядерного синтеза водорода.

Формирование планет в значительной степени обусловлено аккрецией ядра — процессом «снизу вверх», при котором ядра медленно растут по мере того, как твердое вещество слипается в протопланетном диске. Некоторые крупные ядра могут также собирать остаточные газы из своих древних туманностей, в конечном итоге превращаясь в газовые гиганты.

Такова общепринятая версия происхождения Юпитера и Сатурна, но может ли она сработать в системе, подобной HR 8799, где более крупные гиганты вращаются на больших расстояниях?

Эти расстояния варьируются от 15 до 70 астрономических единиц (от 2 до 10 миллиардов километров), что означает, что планеты находятся примерно в 15-70 раз дальше от своей звезды, чем Земля от Солнца.

В таких масштабах некоторые эксперты сомневаются, могут ли подобные массивные, удаленные планеты образоваться путем аккреции ядра. Ожидается, что аккреция будет происходить медленнее на таком большом расстоянии от звезды, что потенциально оставляет слишком мало времени для того, чтобы планеты успели накопить достаточно материала до того, как диск рассеется. Одно из решений заключается в том, что такие миры могут возникнуть в результате гравитационного коллапса, подобно коричневым карликам.

Чтобы проверить эту идею, исследователи использовали данные телескопа JWST с планет HR 8799 для поиска серы — тугоплавкого элемента, который в основном заключен в твердых зернах в протопланетных дисках. Таким образом, обнаружение серы в атмосфере планеты указывало бы на аккрецию твердого материала во время ее формирования.

«Благодаря своей беспрецедентной чувствительности телескоп JWST позволяет проводить наиболее детальное изучение атмосфер этих планет, предоставляя нам подсказки об путях их формирования», — говорит соавтор статьи Жан-Батист Руффио, астроном из Калифорнийского университета в Сан-Диего (UC San Diego).

Авторы обнаружили убедительные доказательства наличия сероводорода в HR 8799 c и d, а их атмосферные модели указывают на аналогичное обогащение серой на всех трех внутренних планетах.

«Обнаружение серы позволило нам сделать вывод, что планеты HR 8799, вероятно, сформировались аналогично Юпитеру, несмотря на то, что они в 5-10 раз массивнее, что было неожиданно», — говорит Руффио.

Хотя планеты в тысячи раз тусклее своих звезд, чувствительность телескопа JWST позволила исследователям отделить их слабые сигналы от яркого звездного свечения.

Исследователи преодолели эту проблему, создав сложные атмосферные модели планет, которые они могли корректировать и сравнивать с имеющимися данными.

«В итоге мы обнаружили несколько молекул на этих планетах — некоторые из них впервые, включая сероводород», — говорит астроном и один из соавторов исследования Джерри Сюань из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.

Планеты равномерно обогащены тяжелыми элементами, включая углерод, кислород и серу, по сравнению со своей звездой, что указывает на то, что в процессе их формирования было включено большое количество твердого материала.

Исследователи обнаружили, что уровень обогащения тяжелыми элементами трудно согласовать с некоторыми классическими моделями образования.

«Процесс формирования планет никак не может быть настолько эффективным», — говорит Майкл Мейер, астроном из Мичиганского университета.

Исследователям потребуется изучить и другие системы, помимо HR 8799, но на данный момент эффективность формирования трех ее массивных планет вызывает немало вопросов.

«Это загадка. Мы действительно остались с неразгаданной тайной», — говорит Мейер.