Астрономы подтвердили существование необычной планеты, которая по космическим меркам практически только появилась. Экзопланета Elias 2-24 b находится примерно в 450 световых годах от Земли и имеет возраст не более одного миллиона лет. Это делает её самой молодой из известных на сегодняшний день экзопланет.
Но главное значение открытия связано не только с возрастом. Elias 2-24 b находится внутри протопланетного диска, окружающего её молодую звезду, и расположена непосредственно в области узкого разрыва диска. Наблюдения показывают, что планета всё ещё находится на стадии формирования и, вероятно, продолжает накапливать вещество из окружающего газа и пыли.
Большинство известных экзопланет гораздо старше. Это естественное следствие особенностей наблюдений: уже сформировавшиеся планеты легче обнаруживать, особенно если они находятся близко к своим звёздам. Молодые планеты, напротив, скрыты внутри плотных дисков из газа и пыли, а яркий свет молодой звезды сильно затрудняет их непосредственное наблюдение.
Elias 2-24 b даёт редкую возможность изучать планету не только по косвенным следам её существования, но и непосредственно наблюдать объект в период, когда процесс планетообразования ещё продолжается.
Планета, которую обнаружили почти десятилетие спустя
История открытия Elias 2-24 b началась не с нового наблюдательного сеанса. Сигнал, который оказался связан с планетой, был зарегистрирован ещё в 2018 году.
Тогда наблюдения молодой звезды Elias 2-24 проводились с помощью камеры NIRC2 на телескопе Keck II. Рядом со звездой действительно появился слабый источник инфракрасного излучения, однако данных было недостаточно, чтобы уверенно заявить об обнаружении планеты.
Такие ситуации для непосредственных наблюдений молодых экзопланет вполне обычны. Слабый источник рядом с яркой звездой может оказаться не планетой, а особенностью обработки изображения, остаточным шумом, фрагментом структуры диска или далёким объектом, случайно оказавшимся на фоне.
Поэтому одного изображения недостаточно. Необходимо показать, что источник существует повторно, находится рядом со звездой и движется так, как должен двигаться связанный с ней объект. Именно повторный анализ старых данных в итоге превратил слабый сигнал в подтверждённую планету.
Архивные данные оказались ключом к открытию
Исследователи вернулись к архиву наблюдений и заново обработали данные 2018 года с использованием современных методов обработки изображений. Кроме того, были повторно проанализированы наблюдения 2020 года.
Сопоставление этих данных позволило обнаружить источник в том же районе диска. Его положение в разные годы оказалось согласовано с движением объекта, связанного со звездой, а не со случайной фоновой звездой.
Дополнительные наблюдения другими инструментами также подтвердили наличие объекта.
Таким образом, новое открытие стало результатом не одного снимка, а объединения нескольких независимых наблюдений, полученных в разные годы и разными обсерваториями.
Что представляет собой система Elias 2-24
Elias 2-24 — очень молодая звезда, находящаяся в области звездообразования в созвездии Змееносца. Вокруг неё сохранился протопланетный диск — вращающийся запас газа и пыли, из которого формируется планетная система.
Такие диски являются естественной средой рождения планет. В них частицы пыли сталкиваются и объединяются, формируя всё более крупные тела. По мере роста будущих планет их гравитация начинает воздействовать на окружающий материал, изменяя структуру диска.
Именно такие изменения позволяют астрономам искать планеты ещё до того, как их удаётся увидеть непосредственно.
В случае Elias 2-24 структура диска особенно интересна: в нём наблюдаются кольца и промежутки, а планета оказалась непосредственно в одном из таких промежутков.
Диск оказался не однородным
Наблюдения системы в миллиметровом диапазоне ранее показали несколько концентрических промежутков в диске. Они находятся примерно на расстояниях 20, 52 и 87 а.е. от звезды.
Такие структуры могут возникать по разным причинам. Среди возможных механизмов рассматриваются процессы, связанные с конденсационными границами различных веществ, взаимодействием газа и пыли и воздействием формирующихся планет.
Особенно интересны узкие разрывы, поскольку достаточно массивная планета способна перераспределять окружающее вещество своим гравитационным воздействием. В результате материал в диске начинает двигаться иначе, чем если бы планеты внутри него не было.
Elias 2-24 b оказалась именно там, где наблюдался один из таких разрывов. Это существенно усиливает связь между наблюдаемой структурой диска и присутствием планеты.
Где находится самая молодая планета
Elias 2-24 b расположена примерно в 55 астрономических единицах от своей звезды. Одна астрономическая единица соответствует среднему расстоянию между Землёй и Солнцем.
Для сравнения, Нептун обращается вокруг Солнца на среднем расстоянии около 30 а.е. Поэтому Elias 2-24 b находится значительно дальше от своей звезды, чем Нептун от Солнца.
Это важная особенность системы. Планета формируется не рядом со звездой, а во внешней части протопланетного диска.
Наблюдаемое угловое расстояние между звездой и планетой составляет около 394 миллисекунд дуги, что после учёта расстояния до системы соответствует примерно 54,9 а.е.
Почему большое расстояние имеет значение
Планеты, расположенные далеко от своих звёзд, в определённом смысле легче отделить от их яркого света при непосредственной съёмке. Чем дальше планета от звезды на небе, тем проще технически выделить её слабое излучение из окружающего света.
Однако у такого преимущества есть обратная сторона. На больших расстояниях процессы формирования гигантских планет происходят в условиях, которые помогают проверить разные модели планетообразования.
Поэтому Elias 2-24 b представляет интерес одновременно как наблюдаемый объект и как естественный тест для теорий происхождения газовых гигантов.
Насколько велика Elias 2-24 b
По своим характеристикам Elias 2-24 b относится к планетам гигантского типа.
Фотометрические расчёты дают оценку массы примерно от 1,9 до 4 масс Юпитера при использовании определённых эволюционных моделей и возрасте системы около одного миллиона лет.
Однако эту цифру нельзя воспринимать как окончательно измеренную массу. Молодые планеты находятся в совершенно ином физическом состоянии, чем старые газовые гиганты, и их яркость зависит не только от массы, но и от первоначальных условий формирования и продолжающейся аккреции вещества.
Кроме того, расчётные оценки массы в данной работе не учитывают вклад аккреции. Поэтому авторы рассматривают их как верхние пределы.
Почему массу молодой планеты сложно определить
Для зрелого газового гиганта можно использовать относительно хорошо разработанные модели охлаждения и эволюции. Молодая планета значительно сложнее.
Elias 2-24 b ещё формируется и получает вещество из окружающего диска. При падении газа на планету выделяется энергия, которая влияет на её наблюдаемое излучение.
Поэтому одна и та же наблюдаемая яркость может соответствовать разным сочетаниям массы, температуры, начального состояния и скорости аккреции.
Именно поэтому будущие измерения движения планеты вокруг звезды особенно важны. Если удастся непосредственно измерить её орбитальное движение с достаточной точностью, масса системы может быть определена более непосредственно и с меньшей зависимостью от эволюционных моделей.
Почему возраст планеты так необычен
Возраст Elias 2-24 b оценивается как не более одного миллиона лет. Для сравнения, Солнцу и Земле около 4,6 млрд лет.
Это означает, что наблюдаемая планета появилась примерно в тот период, когда на Земле ещё не существовало ни одной из современных геологических структур, а Солнечная система сама находилась на самых ранних этапах формирования.
Однако здесь есть важная оговорка. Возраст очень молодых звёзд и планет определить трудно.
Для Elias 2-24 существуют оценки возраста ещё меньше одного миллиона лет. В предыдущих исследованиях приводились значения порядка нескольких сотен тысяч лет, но точный возраст молодой звезды остаётся неопределённым.
Поэтому наиболее корректно говорить, что система чрезвычайно молода и имеет возраст порядка или менее миллиона лет, а не утверждать конкретное количество лет с высокой точностью.
Планета может быть ещё моложе
Если более ранние оценки возраста системы окажутся ближе к действительности, Elias 2-24 b может оказаться значительно моложе принятого в расчётах верхнего предела.
Это важно не только для рекорда. Чем моложе объект, тем меньше времени было у него на формирование.
Следовательно, точное определение возраста непосредственно связано с вопросом о скорости образования газовых гигантов.
Планета всё ещё получает вещество из диска
Одно из наиболее интересных свойств Elias 2-24 b заключается в том, что она не выглядит полностью завершившей своё формирование.
Планета находится в протопланетном диске и, по данным исследования и характеристикам системы, вероятно, продолжает накапливать вещество.
Этот процесс называется аккрецией. Газ и пыль из окружающего диска могут попадать в область гравитационного влияния растущей планеты и постепенно увеличивать её массу.
Для молодой планеты аккреция имеет принципиальное значение: она позволяет наблюдать не только конечный результат формирования, но и сам процесс роста гигантского мира.
Почему аккреция осложняет измерения
Продолжающийся рост делает Elias 2-24 b особенно интересной, но одновременно усложняет её изучение.
Газ, падающий на планету, нагревается и может значительно влиять на её излучение. Поэтому наблюдаемая яркость не позволяет напрямую перевести её в точную массу без дополнительных предположений.
Именно поэтому оценки массы молодой планеты в разных моделях заметно различаются.
В опубликованном исследовании показано, что предыдущие работы также получали разные значения в зависимости от того, учитывалась ли аккреция. Некоторые оценки давали несколько масс Юпитера, тогда как модели без учёта аккреции могли приводить к более высоким значениям.
Как формируется газовый гигант
Elias 2-24 b представляет особый интерес для проверки модели аккреции ядра, одного из основных сценариев формирования гигантских планет.
Согласно этой модели, процесс начинается с формирования твёрдого планетного зародыша в протопланетном диске. Пыль и более крупные частицы постепенно объединяются, создавая всё более массивное тело.
Когда зародыш становится достаточно массивным, его гравитация позволяет ему эффективно захватывать газ из окружающего диска.
На поздней стадии формируется массивная газовая оболочка, и планета может быстро увеличивать свою массу.
Именно эта стадия особенно интересна в случае Elias 2-24 b: наблюдаемая структура диска и характеристики объекта соответствуют картине, в которой гигантская планета уже сформировалась достаточно сильно, чтобы воздействовать на окружающий материал, но ещё продолжает расти.
Почему скорость формирования гигантов остаётся проблемой
Планетам необходимо сформироваться до того, как протопланетный диск потеряет значительную часть газа.
Это создаёт ограничение по времени. Молодая звезда окружена диском, но со временем этот материал рассеивается или включается в формирующиеся тела.
Следовательно, газовый гигант должен успеть сформировать достаточно массивное ядро и затем захватить значительное количество газа до исчезновения подходящего резервуара.
Наблюдение планеты возрастом менее миллиона лет показывает, что крупный объект способен существовать уже на очень ранней стадии эволюции системы.
Для моделей формирования планет это особенно важная информация.
Что означает разрыв в протопланетном диске
Одной из самых интересных особенностей Elias 2-24 b является её положение в узком разрыве диска.
Такие структуры хорошо известны по наблюдениям молодых планетных систем. На снимках дисков они часто выглядят как тёмные промежутки между более яркими кольцами пыли.
Изначально далеко не всегда было понятно, что именно создаёт эти разрывы.
Одним из наиболее естественных объяснений является воздействие формирующихся планет. Если достаточно массивное тело обращается внутри диска, его гравитация перераспределяет вещество, меняет движение частиц и может очищать часть своей орбитальной области.
В результате вокруг планеты появляется область с пониженной концентрацией материала.
Наблюдение планеты в разрыве стало важным подтверждением
В случае Elias 2-24 b положение планеты совпадает с уже известным разрывом диска.
Это особенно важно потому, что существование планеты было предсказано не только по слабому инфракрасному источнику. Ещё предыдущие наблюдения структуры диска показывали особенности, которые могли быть связаны с формирующейся планетой.
Позднее наблюдения в других диапазонах обнаружили дополнительный яркий источник вблизи положения планеты внутри разрыва.
Теперь непосредственное обнаружение самого объекта связывает две независимые части картины: структуру диска и планету, способную её формировать.
Почему астрономы вообще смогли увидеть такую молодую планету
Обычно обнаружение экзопланет основано на косвенных эффектах. Например, планета может периодически проходить перед звездой и уменьшать её яркость или заставлять звезду слегка двигаться под действием собственной гравитации.
Но Elias 2-24 b находится далеко от своей звезды и окружена плотной структурой молодого диска. Для такой системы транзитный метод практически неприменим.
Поэтому использовали прямое изображение.
Это не означает, что телескоп получил обычную фотографию планеты, на которой можно рассмотреть её поверхность или облака. Речь идёт о регистрации слабого инфракрасного излучения объекта после подавления значительно более яркого света звезды.
Как работает коронограф
Для наблюдения слабого объекта рядом с яркой звездой применяют коронограф.
Он блокирует или подавляет свет центральной звезды, чтобы слабое излучение окружающих объектов стало заметнее.
Для Elias 2-24 b использовали вихревой коронограф, установленный на камере NIRC2 телескопа Keck II.
Но даже после подавления света звезды остаётся множество сложностей: атмосферные и инструментальные эффекты, остаточный свет звезды и шум могут маскировать слабую планету.
Поэтому необработанное изображение недостаточно. Данные проходят сложную последовательность обработки, позволяющую отделить возможный сигнал планеты от помех.
Почему потребовались наблюдения разных телескопов
Открытие Elias 2-24 b стало возможным благодаря объединению данных нескольких обсерваторий.
Наблюдения Keck дали возможность получить прямое инфракрасное изображение кандидата. Данные ALMA помогли изучить структуру диска и положение разрыва, а наблюдения Очень Большого Телескопа предоставили независимую информацию о кандидате.
Каждый из этих инструментов исследует систему несколько иначе.
В результате астрономы получили возможность проверить не только наличие слабого источника, но и его соответствие структуре диска и движению объекта вокруг звезды.
Почему одного снимка недостаточно
Представим две звезды, одна из которых находится далеко за системой Elias 2-24. На одном изображении такая звезда может оказаться рядом с молодой звездой просто потому, что они расположены почти на одной линии зрения.
Если наблюдать систему несколько лет, связанная планета и фоновая звезда будут вести себя по-разному.
Планета перемещается вместе с родительской звездой и одновременно обращается вокруг неё. Фоновый объект имеет другое собственное движение и не связан гравитационно с системой.
Именно поэтому повторные наблюдения оказались принципиальными для подтверждения природы объекта. Анализ движения показал, что источник с высокой вероятностью физически связан с Elias 2-24.
Что наблюдения говорят о движении планеты
Сейчас астрономы уже смогли сравнить положения Elias 2-24 b в разные годы, но полноценного измерения её орбитального движения пока недостаточно для независимого определения всех параметров орбиты.
Это связано с тем, что за несколько лет планета переместилась на небесной сфере недостаточно сильно по сравнению с неопределённостями измерений.
При этом ожидаемое дальнейшее движение должно стать заметным в последующих наблюдениях.
Если будущие измерения действительно позволят проследить орбиту, астрономы получат более надёжный способ определить динамическую массу планеты и уточнить её орбитальные характеристики.
Почему динамическая масса важнее оценки по яркости
Фотометрическая масса зависит от модели того, как молодая планета охлаждается и излучает энергию.
Динамическое измерение основано на гравитационном воздействии планеты и её движении. Такой метод гораздо меньше зависит от предположений о внутреннем состоянии молодого объекта.
Поэтому наблюдение орбитального движения Elias 2-24 b в течение следующих лет может существенно изменить наше понимание её физических характеристик.
Почему предыдущие рекордсмены были намного старше
До появления Elias 2-24 b самый молодой известный планетный возраст находился выше отметки примерно в пять миллионов лет.
Предыдущий рекорд принадлежал сразу четырём объектам — двум планетам системы PDS 70 и двум планетам вокруг WISPIT 2.
Они также относятся к молодым системам и сами представляют большой интерес для исследования формирования планет. Однако Elias 2-24 b моложе их более чем в несколько раз.
Это принципиально меняет временную точку, на которой астрономы могут наблюдать формирование гигантской планеты.
Почему новый рекорд важен не только как рекорд
Сам по себе возраст — лишь одна характеристика.
Научная ценность Elias 2-24 b состоит в том, что она наблюдается на настолько ранней стадии, когда диск ещё сохраняется, планета находится в его структуре и, вероятно, продолжает накапливать газ.
Таким образом, астрономы получили возможность сравнить реальные наблюдения с моделями формирования гигантских планет практически на начальном этапе их существования.
Это намного информативнее, чем изучение только старых планет, когда большая часть следов их рождения уже исчезла.
Молодые планеты особенно трудно обнаруживать
В нашей Галактике постоянно рождаются новые звёзды, а вместе с ними формируются планетные системы. Теоретически поэтому существует множество планет на разных стадиях развития.
Но наблюдать их все мы не можем.
Молодая планета обычно находится внутри протопланетного диска, содержащего большое количество пыли и газа. Сам диск может скрывать слабый объект, а молодая звезда значительно ярче формирующейся планеты.
Кроме того, непосредственная съёмка особенно эффективна для объектов, находящихся на достаточно больших расстояниях от звезды. Планеты, расположенные близко к ней, гораздо сложнее отделить от звёздного света.
Поэтому известная выборка планет сильно смещена в сторону старых миров
Большинство подтверждённых экзопланет обнаружено вокруг уже зрелых звёзд. Это не означает, что молодые планеты редки.
Это означает прежде всего, что современные методы наблюдений гораздо лучше подходят для поиска некоторых типов зрелых систем.
Elias 2-24 b показывает, что значительная часть ранней истории планет может оставаться скрытой от наблюдений.
Развитие прямой съёмки и новых коронографов должно постепенно уменьшать эту проблему.
Что открытие говорит о моделях формирования планет
Существующие модели уже позволяют объяснять многие свойства планетных систем, но наблюдение настолько молодого газового гиганта создаёт для них серьёзную проверку.
Если планета действительно имеет возраст менее миллиона лет и уже обладает массой порядка нескольких масс Юпитера, значит, рост гигантского мира на определённых этапах может происходить очень быстро.
При этом необходимо учитывать, что точная масса пока зависит от эволюционных моделей и неопределённостей, связанных с аккрецией.
Поэтому открытие не означает, что существующие теории формирования планет «опровергнуты». Оно показывает, что модели должны правильно описывать появление массивного объекта уже на очень ранней стадии и объяснять наблюдаемую структуру диска.
Что особенно интересно для модели аккреции ядра
Система хорошо согласуется со сценарием, в котором планета сначала формирует массивное твёрдое ядро, а затем быстро захватывает газ.
Наличие разрыва в диске и положение планеты внутри него являются важными наблюдательными аргументами в пользу того, что массивный объект действительно взаимодействует с окружающим диском.
Но точные темпы роста и конечная масса планеты пока остаются неизвестными.
Чтобы проверить эти параметры, потребуются дополнительные наблюдения за движением, излучением и атмосферой объекта.
Elias 2-24 b может помочь понять раннюю историю Солнечной системы
Солнечной системе около 4,6 млрд лет, поэтому непосредственно наблюдать её формирование невозможно.
Мы можем изучать древние метеориты, астероиды, планеты и другие сохранившиеся следы ранней истории, а затем сравнивать их с теоретическими моделями.
Молодые системы дают другой тип информации.
Наблюдая Elias 2-24 b и окружающий её диск, астрономы видят систему в процессе формирования. Это позволяет проверять, какие структуры возникают на ранних стадиях, насколько быстро появляются гигантские планеты и как они взаимодействуют с диском.
Разумеется, нельзя утверждать, что Солнечная система развивалась точно таким же образом. У разных звёзд разные массы, химический состав, диски и начальные условия.
Но такие системы позволяют проверять общие физические механизмы, которые могли работать и при рождении нашей планетной системы.
Что ещё предстоит узнать об этой планете
Несмотря на подтверждение существования Elias 2-24 b, многие её характеристики пока известны лишь приблизительно.
Прежде всего необходимо точнее определить массу. Для этого потребуется проследить орбитальное движение планеты и получить дополнительные ограничения на её динамику.
Не менее важны наблюдения в других диапазонах электромагнитного спектра.
Спектроскопия может дать сведения о температуре, составе атмосферы и физических свойствах молодой планеты. Но из-за слабости объекта и близости яркой звезды такие наблюдения остаются сложной задачей.
Будущие наблюдения смогут увидеть планету ещё подробнее
Особый интерес представляет космический телескоп Nancy Grace Roman, оснащённый современным коронографом.
Его возможности должны позволить проводить высококонтрастные наблюдения планет рядом с яркими звёздами и расширить поиск молодых планетных систем.
Речь идёт не только о повторном изучении Elias 2-24 b. Более совершенные инструменты могут обнаружить другие молодые планеты, которые сегодня остаются недоступными для непосредственного наблюдения.
Это позволит перейти от изучения единичных примеров к статистической выборке молодых планет.
Архивы телескопов становятся источником новых открытий
История Elias 2-24 b показывает важность ещё одного направления современной астрономии — повторного анализа старых данных.
Наблюдения 2018 года уже существовали в архиве. Но на момент их получения слабый сигнал нельзя было уверенно интерпретировать как планету.
Позднее появились новые методы обработки, новые наблюдения и более точные модели. Когда всё это было объединено, старые данные получили новое научное значение.
Таким образом, ценность астрономического наблюдения не обязательно заканчивается после первой публикации результатов. Архив может сохранять информацию, которую невозможно было извлечь с помощью методов, доступных несколько лет назад.
Почему это особенно важно для редких объектов
Редкие явления невозможно запланировать заново, если они происходили в прошлом.
Если телескоп однажды наблюдал молодую звезду на подходящей стадии развития, эти данные остаются уникальным свидетельством состояния системы в конкретный момент.
Повторный анализ позволяет сравнивать разные эпохи и отслеживать движение объектов.
В случае Elias 2-24 b именно временная последовательность наблюдений помогла отличить планету от случайного фонового источника.
Самая молодая известная планета — это ещё не «готовый мир»
Название «планета» может создавать впечатление полностью сформировавшегося небесного тела. В случае Elias 2-24 b это было бы особенно вводящее в заблуждение представление.
Объект уже достаточно массивен, чтобы быть классифицированным как гигантская планета, но его окружающая среда показывает, что система всё ещё находится на ранней стадии развития.
Планета находится в протопланетном диске, взаимодействует с его веществом и, вероятно, продолжает набирать массу.
Вместо спокойного мира, давно завершившего своё формирование, астрономы наблюдают объект в активной фазе планетного образования.
Редкая возможность увидеть планету в момент рождения
Elias 2-24 b представляет собой особенно ценный объект именно потому, что объединяет сразу несколько редких характеристик.
Это очень молодая система, вокруг звезды сохраняется протопланетный диск, массивный объект находится внутри наблюдаемого разрыва, а его слабое излучение удалось зарегистрировать непосредственно.
Возраст планеты оценивается как менее миллиона лет, её расстояние от звезды составляет около 55 а.е., а масса по текущим фотометрическим моделям находится примерно в диапазоне 1,9–4 масс Юпитера без учёта эффекта продолжающейся аккреции.
Но наиболее важен не какой-либо один показатель. Вместе они создают редкую возможность исследовать газовый гигант на той стадии, когда он ещё находится внутри среды, из которой возник.
Для астрономии это практически естественный эксперимент: вместо реконструкции далёкого прошлого по древним следам можно наблюдать другую планетную систему, где похожие процессы происходят прямо сейчас.
Elias 2-24 b не даёт готового ответа на вопрос, как сформировалась Солнечная система. Но она позволяет проверить физические механизмы, которые должны работать при рождении гигантских планет, — рост твёрдого зародыша, накопление газа, взаимодействие планеты с диском и формирование разрывов в окружающем веществе.
Чем больше подобных молодых объектов удастся обнаружить, тем точнее можно будет определить, насколько быстро формируются газовые гиганты и какие условия необходимы для их появления. Именно поэтому открытие самой молодой известной экзопланеты важно не только как новый рекорд, но и как редкая возможность наблюдать один из самых ранних этапов формирования планетной системы.
Источники:
Статья создана по материалам Space.com
