Где грань между планетой и звездой? JWST исследовал газового гиганта в 15 масс Юпитера

Используя космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST), астрономы исследовали чужую планету, которая может помочь определить линию, разделяющую планеты и звезды.

Любопытная экзопланета — 29 Cygni b, газовый гигант с массой примерно в 15 раз больше массы Юпитера, находящийся на расстоянии 133 световых лет от Земли.

Считается, что большинство планет формируются «снизу вверх» (bottom-up process): крошечные комки горных пород и льда постепенно соединяются, постепенно создавая мир. Однако процессы «снизу вверх» с трудом объясняют формирование планет с такой массой, как у 29 Cygni b.

Считается, что такие гиганты формируются иначе — сверху вниз (top-down process): прямое коллапсирование плотных областей газа и пыли в протопланетных дисках, которые вращаются вокруг молодых звезд. Это тот же способ, которым формируются сами звезды из плотных областей в гораздо больших облаках межзвездного газа и пыли.

Теперь JWST собрал несколько линий доказательств, предполагающих, что такие огромные планеты, как 29 Cygni b, могут формироваться «снизу вверх», подобно своим более мелким собратьям.

29 Cygni b находится на разделительной линии процессов формирования. Хотя ее большая масса предполагает процесс «сверху вниз», ее широкая орбита (среднее расстояние от звезды — около 2,4 миллиарда километров, что сравнимо с орбитой Урана в нашей Солнечной системе) намекает на механизм формирования «снизу вверх».

Команда получила прямое изображение 29 Cygni b с помощью камеры ближнего инфракрасного диапазона (NIRCam) JWST в рамках программы по съемке четырех экзопланет, каждая из которых вращается вокруг своей звезды в пределах примерно 15 миллиардов километров и имеет массу от одной до пятнадцати масс Юпитера. Все эти планеты также относительно молоды и все еще горячи после своего формирования с температурой от 530 до 1000 градусов Цельсия, что означает, что у них должна быть схожая атмосферная химия.

Исследователи охотились за светом, поглощаемым углекислым газом и угарным газом, что позволило им измерить пропорции элементов тяжелее гелия (которые астрономы называют «металлами») в атмосфере 29 Cygni b.

Это показало, что экзопланета не только примерно в 150 раз богаче металлами, чем Земля, но и значительно богаче металлами, чем ее родительская звезда. Это указывает на то, что во время формирования газовый гигант собрал множество обогащенных металлами комков материала из своего родного протопланетного диска.

Команда также определила, что ориентация орбиты 29 Cygni b совпадает с вращением ее родительской звезды, что указывает на то, что она действительно сформировалась внутри протопланетного диска.

По мере продолжения программы по исследованию аналогичных планет будет выяснено, жадно ли захватывали богатое металлами вещество и другие такие миры во время своего формирования. Это могло бы наконец помочь ученым понять, как родились самые массивные планеты Млечного Пути — подобно звездам или подобно планетам поменьше.

Открытие JWST заставляет пересмотреть не только теории формирования планет, но и само определение понятия «планета». Формально 29 Cygni b в 15 раз массивнее Юпитера. Для сравнения: самый тяжелый теоретический предел для «классической» планеты — около 13 масс Юпитера. Выше этого порога включается термоядерный синтез дейтерия (тяжелого водорода), и объект переходит в категорию «коричневых карликов» — неудавшихся звезд.

Но 29 Cygni b странная. При своей массе она не показывает признаков термоядерной активности. Она слишком тяжела для планеты, но слишком легка и холодна для звезды. Это «серый кардинал» космоса, застрявший между двумя мирами.

Главный сюрприз — содержание металлов. То, что атмосфера планеты оказалась богаче металлами, чем атмосфера ее родной звезды, противоречит моделям аккреции. По логике, звезда (более тяжелая) должна была при формировании «выгрести» себе львиную долю тяжелых элементов. Но здесь всё наоборот. Астрономы шутят: «Звезда — это родитель, который отдал ребенку лучшие куски из своей тарелки». Как такое возможно?

Одна из гипотез: протопланетный диск вокруг звезды 29 Cygni был неоднороден. В какой-то его части случайно скопилось аномально много металлической пыли. Молодая планета просто «оказалась в нужном месте в нужное время» и нарастила массу с бешеной скоростью, поглощая этот металлический «клад».

Другая гипотеза, более радикальная: 29 Cygni b изначально формировалась как звезда-компаньон (сверхплотное облако газа), но звезда-хозяин «перетянула на себя» весь легкий газ, оставив будущей планете только тяжелые металлы. В итоге объект набрал массу, но не набрал нужного давления в ядре для зажигания термоядерного синтеза. «Звезда-людоед» съела водород, оставив только шлак.

Для практической астрофизики это открытие означает, что граница между планетами и звездами размыта. JWST продолжает наблюдения: в программе еще три подобных «супер-Юпитера». Если у них тоже окажется повышенная металличность, придется переписывать учебники. Возможно, самый распространенный тип объектов в Галактике — не красные карлики и не газовые гиганты, а именно эти «неудавшиеся звезды», которые мы просто раньше не умели замечать.

Как выразился один из авторов исследования в кулуарах конференции: «Мы искали черную кошку в темной комнате. А оказалось, что комната полна кошек, просто они другого цвета».