«Уэбб» выяснил, где проходит граница между звездой и планетой

С точки зрения науки, самые значимые астрономические объекты – это те, что ставят под сомнение существующие классификации. Попадая в «серую зону» между конкурирующими определениями, они заставляют ученых глубже и полнее постигать природу вещей. Одной из таких ключевых границ является разделение между планетами и звездами.

Формирование планет происходит в дисках, окружающих молодые звезды. Основной механизм – это аккреция, идущая снизу вверх: пылинки слипаются в более крупные частицы, те – в камни, затем в планетезимали, которые, в свою очередь, растут до размеров планет. Некоторые планетезимали наращивают значительное количество газа, трансформируясь в газовых или ледяных гигантов. Это упрощенное описание, поскольку процесс обладает множеством нюансов и остается предметом исследований.

Звезды зарождаются иначе. Они возникают из огромных газовых облаков, дробящихся на более плотные фрагменты, которые активно притягивают к себе газ. Когда масса и плотность достигают критического уровня, запускается термоядерный синтез, и появляется звезда главной последовательности. Процесс коллапса и фрагментации может происходить и в протопланетных дисках, что объясняет наличие массивных экзопланет, находящихся на значительном удалении от своих родительских звезд.

Таким образом, границы, разделяющие эти два процесса и их итоги, стираются, затрагивая коричневые карлики и порог горения дейтерия.

Недавнее исследование, проведенное с применением телескопа JWST, позволило впервые получить прямой снимок объекта, расположенного на этой условной границе. Объект, известный как 29 Cygni b, обладает массой, в 15 раз превышающей массу Юпитера, и совершает оборот вокруг своей звезды главной последовательности спектрального класса А на удалении 2,4 миллиарда километров. Его масса позволяет классифицировать его как звездный объект, однако наблюдения «Уэбба» выявили наличие в его атмосфере тяжелых элементов, таких как углерод и кислород. Это, в свою очередь, наводит на мысль о его формировании по аналогии с планетами, в рамках протопланетного диска звезды.

Научная статья, посвященная данному исследованию, носит название «Прямые изображения поглощения CO2 в атмосфере суперюпитера: повышенная металличность, указывающая на формирование диска». Она опубликована в журнале The Astrophysical Journal Letters.

Центральным понятием в этой работе является предел горения дейтерия. Коричневые карлики — это субзвездные объекты, которые представляют собой нечто среднее между планетами и звездами. Хотя они недостаточно массивны, чтобы превращать водород в гелий, как звезды главной последовательности, они могут превращать дейтерий, изотоп водорода. Поэтому предел горения дейтерия — полезное понятие. Однако оно несколько условно, поскольку не объясняет, как образовался объект.

«Масса этого объекта неопределенна и находится на грани предела горения дейтерия», — пишут авторы исследования. Этот предел составляет примерно 15 ± 5 масс Юпитера, а масса 29 Лебедя b составляет около 15 масс Юпитера. Это делает объект очень ценным с точки зрения определения того, что такое звезда, а что — планета.

«Уэбб» также обнаружил в его атмосфере углерод и кислород в виде CO и CO? . 29 Лебедя b также богаче металлами, чем его звезда. Поскольку объект очень массивен, содержание тяжелых элементов в нем в сумме составляет около 150 масс Земли. Его высокая металличность указывает на то, что объект образовался путем аккреции в протопланетном диске, где он мог аккрецировать металлы, а не путем коллапса, как звезда. Если бы он следовал пути фрагментации и коллапса, подобному звездному, его металличность должна была бы отражать металличность звезды, вокруг которой он вращается.

Есть дополнительные доказательства того, что она сформировалась как планета в протопланетном диске. Используя CHARA ( Центр астрономии с высоким угловым разрешением) , они измерили орбиту 29 Лебедя b. Они обнаружили, что она выровнена с орбитой звезды, что указывает на то, что она сформировалась в диске.

«Нам удалось обновить данные об орбите планеты, а также провести наблюдения за родительской звездой, чтобы определить ее ориентацию относительно этой орбиты», — пишут авторы. «Мы показали, что наклон планеты хорошо совпадает с осью вращения звезды, что аналогично тому, что мы наблюдаем у планет нашей Солнечной системы».

«В совокупности эти данные убедительно свидетельствуют о том, что 29 Лебедя b образовалась в протопланетном диске в результате быстрой аккреции богатого металлами материала, а не путем фрагментации газа», — говорят астрономы. «Другими словами, она сформировалась как планета, а не как звезда».

Это исследование ставит под сомнение идею о том, что разделительной линией между планетой и звездой является термоядерный синтез массы или дейтерия. Вместо этого оно рассматривает, как формировались объекты, которые и привели к этой разделительной линии.

Таким образом, вместо того чтобы рассматривать 29 Лебедя b как «несостоявшуюся звезду», как иногда называют коричневые карлики, это просто очень массивная планета. Оно также предполагает, что массивные газовые гиганты могут формироваться в протопланетных дисках вокруг горячих и ярких звезд типа А.

Балмер и его коллеги не ограничивают свои наблюдения объектом 29 Лебеля b. Они собираются изучить еще три подобных объекта и поискать различия в составе между объектами меньшей и большей массы в своей выборке. Их металличность могла бы объяснить больше деталей в процессе их формирования.

«Эти данные можно использовать для пересмотра нашего понимания механизмов формирования и временных масштабов образования гигантских планет», — пишут авторы.

Источник информации: журнал The Astrophysical Journal Letters.

Фото: На этой иллюстрации художника изображен субзвездный объект 29 Лебедя b. Он примерно в 15 раз массивнее Юпитера и вращается на большом расстоянии от своей звезды. Он находится на границе между звездой и планетой. Источник изображения: NASA/ESA/CSA.