Супер-Юпитеры пересматривают пределы массы планет: что показали наблюдения системы HR 8799

Новые спектроскопические наблюдения массивных газовых гигантов в системе HR 8799 позволили уточнить представления о том, как формируются самые крупные планеты и где проходит физическая граница между планетой и коричневым карликом. Результаты основаны на данных космического телескопа James Webb Space Telescope и опубликованы в журнале Nature Astronomy.

Исследование посвящено так называемым «супер-Юпитерам» — объектам, чья масса значительно превышает массу Юпитера, но которые по ряду характеристик остаются планетами, а не звёздными объектами.

Почему супер-Юпитеры представляют проблему для теории

В классических моделях формирования планет, прежде всего в модели аккреции твёрдого ядра (core accretion), предполагается, что:

1. В протопланетном диске сначала формируется массивное твёрдое ядро.
2. После достижения критической массы ядро начинает быстро захватывать газ.
3. Процесс ограничивается доступным материалом и динамикой диска.

Такая схема хорошо объясняет формирование Юпитера и Сатурна. Однако планеты массой в 5–10 масс Юпитера, находящиеся на больших расстояниях от своей звезды, создают трудности для модели: плотность вещества на таких орбитах ниже, а время формирования ограничено сроком жизни протопланетного диска.

Именно такие объекты наблюдаются в системе HR 8799.

Что известно о системе HR 8799

Система HR 8799 расположена на расстоянии около 133 световых лет от Земли. Это молодая звезда спектрального класса A, вокруг которой обращаются по меньшей мере четыре массивные планеты.

Их характеристики:

• массы — примерно от 5 до 10 масс Юпитера;
• орбитальные расстояния — приблизительно от 15 до 70 астрономических единиц;
• возраст системы — порядка нескольких десятков миллионов лет.

Такие параметры делают HR 8799 удобной лабораторией для изучения ранних этапов эволюции гигантских планет.

Данные JWST: химический состав атмосфер

Инфракрасная спектроскопия, выполненная JWST, позволила провести детальный анализ атмосфер трёх планет системы. В спектрах были обнаружены:

• водяной пар (H₂O);
• угарный газ (CO);
• углекислый газ (CO₂);
• метан (CH₄);
• соединения серы.

Особое значение имеет присутствие тяжёлых элементов (в астрономии их называют «металлами»), поскольку их концентрация помогает определить механизм формирования.

Если планета образуется путём гравитационной нестабильности (быстрое схлопывание участка диска), её химический состав должен быть близок к составу звезды. Если же формирование происходит через аккрецию ядра, планета обычно оказывается обогащённой тяжёлыми элементами.

Анализ показал, что атмосферы супер-Юпитеров HR 8799 содержат повышенные концентрации тяжёлых элементов по сравнению со звездой. Это согласуется с аккреционной моделью, несмотря на их большую массу и удалённость от звезды.

Почему радиус почти не растёт при увеличении массы

Один из ключевых физических аспектов супер-Юпитеров — зависимость радиуса от массы.

При массе порядка одной массы Юпитера увеличение массы почти не приводит к росту радиуса. Более того, при дальнейшем увеличении массы радиус может даже уменьшаться. Причина — квантово-механическое давление вырожденного газа в недрах планеты.

В результате:

• объект в 1 массу Юпитера и объект в 8–10 масс Юпитера могут иметь сходные размеры;
• увеличение массы приводит в первую очередь к росту плотности.

Эта особенность делает определение границы между массивной планетой и коричневым карликом не столь очевидным по размеру.

Где проходит граница между планетой и коричневым карликом

В астрономии часто используется условный предел в ~13 масс Юпитера. При такой массе объект способен к кратковременному термоядерному сжиганию дейтерия.

Однако наблюдения показывают, что физическая граница не сводится только к массе. Важны:

• механизм формирования;
• химический состав;
• динамика системы.

Супер-Юпитеры HR 8799 находятся ниже предела дейтериевого горения и демонстрируют химические признаки планетарного происхождения. Это подтверждает, что объекты с массой до 10 масс Юпитера могут формироваться тем же путём, что и классические газовые гиганты.

Почему результаты важны для теории формирования планет

Полученные данные расширяют диапазон условий, при которых может работать аккреционная модель. Это означает, что:

• массивные газовые гиганты способны формироваться дальше от звезды, чем предполагалось;
• химическое обогащение тяжёлыми элементами характерно не только для «обычных» газовых гигантов;
• граница между крупной планетой и субзвёздным объектом требует более комплексного определения.

Кроме того, исследование демонстрирует возможности JWST по прямому анализу атмосфер молодых массивных планет — задача, которая ещё несколько лет назад считалась крайне сложной.

Что это означает для поиска других массивных миров

Если супер-Юпитеры действительно формируются через аккрецию даже на больших орбитах, это влияет на статистические модели планетных систем.

Следствия:

• крупные планеты могут быть более распространёнными на удалённых орбитах;
• архитектура планетных систем может быть разнообразнее, чем считалось ранее;
• химический анализ атмосфер становится ключевым инструментом различения сценариев формирования.

Итог

Наблюдения системы HR 8799 с помощью JWST показали, что планеты массой до 5–10 масс Юпитера:

• сохраняют химические признаки аккреционного происхождения;
• не демонстрируют резкого перехода к «звёздному» типу объекта;
• укладываются в расширенную, но всё же планетарную категорию.

Тем самым супер-Юпитеры уточняют представление о верхнем пределе массы планет и подтверждают, что граница между планетами и коричневыми карликами определяется не только числом масс Юпитера, но и физикой формирования.

Источники:
Статья создана по материалам UniverseToday.com