Астрономы десятилетиями спорят о том, как формируются газовые гиганты – огромные планеты, состоящие в основном из водорода и гелия. Одна из главных загадок касается миров, которые намного массивнее нашего Юпитера. Согласно одной теории, они рождаются путем «аккреции ядра» – медленного процесса, при котором твердое ядро постепенно собирает лед и пыль, пока не наберет достаточную массу, чтобы притянуть окружающий газ. Другая модель, «гравитационная нестабильность», предполагает, что планета формируется быстро, в результате коллапса части газового облака вокруг молодой звезды, что больше похоже на рождение звезды.
Новое исследование, проведенное командой ученых под руководством Калифорнийского университета в Сан-Диего, приблизило науку к ответу на этот вопрос. С помощью космического телескопа «Джеймс Уэбб» они изучили уникальную систему HR 8799, расположенную в 133 световых годах от нас. Эта система – своего рода увеличенная версия Солнечной системы, в которой вокруг звезды вращаются четыре гигантские планеты, каждая из которых в 5–10 раз массивнее Юпитера. Их огромные размеры и широкие орбиты долгое время ставили в тупик астрономов, поскольку традиционная модель аккреции ядра не могла объяснить, как такие гиганты успели сформироваться так далеко от своей звезды до того, как ее излучение рассеяло протопланетный диск.
Ключом к разгадке стала спектроскопия – анализ света, позволяющий определить химический состав далеких объектов. Предыдущие наблюдения с наземных телескопов не давали однозначного ответа. Однако беспрецедентная чувствительность «Джеймса Уэбба» позволила ученым заглянуть в атмосферы этих планет глубже, чем когда-либо. Вместо того чтобы фокусироваться на углероде и кислороде, чье происхождение трудно отследить, команда решила искать тугоплавкие элементы, такие как сера. Эти элементы существуют в твердой форме в диске, где рождаются планеты, и их обнаружение в атмосфере газового гиганта стало бы веским доказательством в пользу формирования путем аккреции ядра.
Результаты превзошли все ожидания. Анализ данных показал четкие признаки сероводорода – молекулы, содержащей серу, – в атмосфере третьей планеты системы, HR 8799 c. Ученые уверены, что сера присутствует и в атмосферах двух других внутренних планет. Кроме того, выяснилось, что планеты содержат больше тяжелых элементов по сравнению со своей звездой. Это еще один аргумент в пользу того, что они формировались как планеты, а не как «несостоявшиеся звезды» – коричневые карлики.
«Благодаря беспрецедентной чувствительности „Уэбба“ мы смогли провести самое детальное исследование атмосфер этих планет, – заявил Жан-Батист Руффио, научный сотрудник и соавтор статьи. – Обнаружение серы позволяет нам сделать вывод, что планеты системы HR 8799, вероятно, сформировались так же, как Юпитер, несмотря на то, что они в 5–10 раз массивнее, и это было неожиданно».
Получение этих данных было непростой задачей. Планеты примерно в 10 000 раз тусклее своей звезды, и телескоп изначально не был оптимизирован для работы с таким экстремальным контрастом. Руффио разработал новые методы анализа, чтобы выделить слабые сигналы планет из света звезды. Другой член команды, Джерри Сюань, создал сложные атмосферные модели для сравнения со спектрами телескопа и подтверждения наличия серы.
Это открытие заставляет пересмотреть существующие модели планетообразования. «Я думаю, это показывает, что старые модели аккреции ядра устарели, – отметила профессор Куинн Конопаки, соавтор исследования. – Из новых моделей мы рассматриваем те, в которых газовые гиганты могут формировать твердые ядра очень далеко от своей звезды». Исследование системы HR 8799 помогает ученым лучше понять, где проходит граница между планетой и звездой, и ставит новый вопрос: насколько большим может быть мир, рожденный как планета?
