В астрономии есть загадочная «пустыня», о которой спорят уже десятки лет. Речь о так называемой коричневой пустыне — диапазоне масс, где объекты встречаются подозрительно редко. Именно здесь проходит граница между гигантскими планетами и самыми лёгкими звёздами. Новое исследование под названием «A universal brown dwarf desert formed between planets and stars» показывает: эта граница реальна и прослеживается гораздо чётче, чем считалось раньше.
Кто такие «пограничные» объекты
Гигантские планеты и коричневые карлики занимают промежуточное положение между планетами и звёздами. Они слишком массивны, чтобы быть обычными планетами вроде Юпитера, но недостаточно тяжелы, чтобы запустить устойчивый термоядерный синтез, как звёзды.
Именно поэтому они так важны для науки: по ним можно понять, как формируются планетные системы. Планеты, как правило, рождаются в протопланетном диске вокруг молодой звезды — постепенно наращивая массу. Звёзды — в результате гравитационного сжатия облака газа. А вот объекты «посередине» могут образовываться разными путями. Где проходит переход от одного механизма к другому — главный вопрос.
Новый взгляд благодаря Gaia
Раньше изучать эту границу было сложно. Объекты на широких орбитах открываются редко, а их массы часто определяются неточно. Ситуацию изменила космическая миссия Gaia Европейского космического агентства. Она измеряет микроскопические «покачивания» звёзд под действием невидимых спутников.
В сочетании с более старыми данными миссии Hipparcos и наземными измерениями лучевых скоростей астрономы получили гораздо более точные оценки масс и орбит.
В новом исследовании проанализирована выборка из 55 объектов массой от 5 до 120 масс Юпитера на орбитах от 2 до 20 а.е. вокруг звёзд солнечного типа. Это одна из самых тщательно проверенных выборок такого рода.
Пустыня на отметке 30 Юпитеров
Главный результат: минимум встречаемости приходится на массу около 31 массы Юпитера. Именно здесь и находится центр «коричневой пустыни».
Ниже этой границы преобладают гигантские планеты. Выше — коричневые карлики и маломассивные звёзды. Интересно, что в диапазоне до 20 а.е. от звезды пустыня не «заканчивается» — она сохраняется и на сравнительно далёких орбитах. Это говорит о её универсальном характере.
Если перевести проценты на язык вероятностей:
- гигантские планеты (5–14 масс Юпитера) встречаются примерно у 12–13% звёзд,
- объекты звёздной природы (71–120 масс Юпитера) — примерно у 4%,
- а в центре пустыни — всего около 1–2%.
Разрыв особенно заметен по нижней границе, что указывает на резкий переход в механизмах формирования.
Неожиданная популяция за «снежной линией»
Отдельный интерес вызывает область дальше 5 а.е. от звезды. Ранее считалось, что частота гигантских планет там должна снижаться. Однако исследование обнаружило новую популяцию массивных планет и лёгких коричневых карликов за этой границей.
Это противоречит прежним моделям и указывает на более сложную картину эволюции планетных систем.
Металличность и эксцентриситет: ключ к происхождению
Авторы изучили химический состав звёзд и форму орбит спутников.
Выяснилось:
- менее массивные объекты (до ~30 масс Юпитера) чаще обращаются вокруг более «металличных» звёзд;
- более массивные спутники склонны встречаться у звёзд с пониженным содержанием тяжёлых элементов;
- орбиты лёгких объектов обычно более круговые;
- массивные спутники чаще движутся по вытянутым, эксцентричным орбитам.
Такие различия трудно объяснить единым сценарием рождения.
Два механизма — одна граница
Исследователи проверили это с помощью моделирования. Они объединили два механизма формирования:
- Аккреция ядра — постепенный рост планеты из твёрдых частиц с последующим захватом газа.
- Гравитационная неустойчивость — фрагментация протопланетного диска с образованием массивных объектов почти напрямую из газа.
Модель показала, что именно сочетание этих двух процессов воспроизводит наблюдаемую картину. Коричневая пустыня естественно возникает как переходная зона между двумя режимами образования.
Ниже ~30 масс Юпитера доминирует сценарий планетного роста. Выше — процессы, близкие к звёздному формированию.
Что это меняет
Работа даёт количественное подтверждение того, что граница между планетами и звёздами — не условность, а отражение двух разных физических процессов.
Коричневая пустыня оказывается не случайной статистической особенностью, а следствием природы формирования.
При этом остаются вопросы. Например, как именно свойства звезды — её масса и химический состав — влияют на положение этой границы. Для окончательных выводов нужны ещё более крупные и однородные выборки.
Но уже сейчас ясно: переход от планеты к звезде — это не плавная шкала масс, а зона смены «правил игры». И примерно на отметке в 30 масс Юпитера эти правила меняются.
Источники:
Статья создана по материалам работы на arXiv.org
