Naukowcy dowiedzieli się więcej o tym, jak duże mogą być planety

Astronomowie przyjrzeli się bliżej gazowym olbrzymom, aby dowiedzieć się więcej o tym, jak duże mogą być planety. Badanie pozwoliło lepiej zrozumieć, jak formują się największe obce światy zamieszkujące Wszechświat.

Jak wskazują naukowcy, gazowe olbrzymy, to duże planety złożone głównie z helu i/lub wodoru. Chociaż światy te mają gęste jądra, nie posiadają stałej powierzchni. Jowisz i Saturn są gazowymi olbrzymami zamieszkującymi Układ Słoneczny, ale w Drodze Mlecznej istnieje znacznie więcej podobnych planet, a niektóre z nich są od nich znacznie większe.

Największe gazowe olbrzymy zbliżają się rozmiarem do brązowych karłów, które są obiektami podgwiezdnymi, nazywanymi czasem „nieudanymi gwiazdami”, ponieważ nie zachodzi w nich fuzja wodoru.

Do tej pory astronomowie nie byli pewni jak powstają te gazowe olbrzymy. Hipotezy zakładały, że mogą się one formować poprzez akrecję jądra, gdy stałe jądra stopniowo rosną w dysku protoplanetarnym, gromadząć skalisty i lodowy materiał, aż staną się wystarczająco masywne, aby przyciągnąć gaz otaczający młode gwiazdy, tak jak miało to miejsce w przypadku Jowisza i Saturna, lub poprzez niestabilność grawitacyjną, gdzie chmura gazu otaczająca gwiazdę gwałtownie zapada się, tworząc masywne obiekty, takie jak brązowe karły.

W ramach nowego badania, naukowcy z University of California San Diego, wykorzystali dane Teleskopu Kosmicznego Jamesa Webba do zbadania układu gwiezdnego oznaczonego jako HR 8799, co pozwoliło im lepiej zrozumieć, jak formują się gazowe olbrzymy. Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie „Nature Astronomy”.

Układ planetarny HR 8799 znajduje się w odległości około 133 lat świetlnych od Ziemi w gwiazdozbiorze Pegaza. Każda planeta systemu ma masę od pięciu do dziesięciu razy większą od Jowisza i orbituje wokół gwiazdy macierzystej w odległości od 15 do 70 jednostek astronomicznych, co oznacza, że najbliższy świat krąży 15 razy dalej niż Ziemia od Słońca.

Masy planet wahają się od 5 do 10 mas Jowisza, co oznacza, że najmniejsza z nich jest około pięć razy cięższa od największego gazowego olbrzyma Układu Słonecznego. Jak wskazują naukowcy HR 8799 jest większą wersją naszego kosmicznego sąsiedztwa, ponieważ system ten również zawiera w swoich zewnętrznych częściach cztery lodowe i gazowe olbrzymy.

Ogromne odległości, w jakich planety te krążą wokół swojej gwiazdy, oraz ich duża masa sprawiły, że astronomowie zaczęli się zastanawiać, czy układ ten mógł powstać w wyniku akrecji jądra. Pierwotne modele formowania się planet oparte na Układzie Słonecznym przewidywały, że światy nie miałyby czasu, aby osiągnąć tak dużą masę, zanim sama gwiazda nie rozwiałaby otaczającego ją dysku.

Przed uruchomieniem Teleskopu Webba naukwocy używali teleskopów naziemnych do pomiaru ilości wody i tlenku węgla na egzoplanetach. Jednak zdali sobie sprawę, że cząsteczki zawierające węgiel i tlen nie są najlepszymi wskaźnikami pozwalającymi zrozumieć formowanie się planet, ponieważ nie można było rozróżnić ich pochodzenia. Dlatego też skupili się na bardziej stabilnych, zwanych refrakcyjnymi (refractories). Pierwiastki te, takie jak siarka, występują wyłącznie w postaci stałej w dysku protoplanetarnym, z którego powstają planety, a obecność siarki jest dowodem na to, że gazowy olbrzym uformował się w wyniku akrecji jądra.

„Dzięki swojej niezwykłej czułości Teleskop Webba umożliwia najbardziej szczegółowe badania atmosfer odległych planet, dostarczając nam wskazówek dotyczących ich powstawania. Dzięki wykryciu siarki możemy wnioskować, że planety HR 8799 prawdopodobnie powstały w podobny sposób jak Jowisz, mimo że są od pięciu do dziesięciu razy masywniejsze” – mówi Jean-Baptiste Ruffio z University of California San Diego.

Jak wskazują badacze, HR 8799 to stosunkowo młody układ gwiezdny, mający około 30 milionów lat (Układ Słoneczny liczy około 4,6 miliarda lat), a ponieważ planety mają tendencję do ochładzania się wraz z wiekiem, młodsze z nich są jaśniejsze i łatwiejsze do badania za pomocą spektroskopii. Teleskop Webba posiada spektrograf o wysokiej rozdzielczości i znajduje się on przestrzeni kosmicznej, co umożliwiający naukowcom obserwację światła egzoplanet bez zanieczyszczenia cząsteczkami z atmosfery ziemskiej.

Dzięki nowym obserwacjom astronomowie pierwszy raz byli w stanie dostrzec drobne cechy charakterystyczne dla wielu rzadkich cząsteczek w atmosferach trzech gazowych olbrzymów HR 8799, które wcześniej pozostawały niewykrywalne. Jednak odkrycie to nie było łatwe, ponieważ światy te są około 10 tysięcy razy słabsze od swojej gwiazdy, a spektrograf Teleskopu Webba nie był pierwotnie zaprojektowany do tego typu obserwacji.

„Jakość danych Teleskopu Webba była naprawdę rewolucyjna, na tyle, że istniejące modele atmosferyczne po prostu nie były wystarczające. Aby w pełni uchwycić to, co mówiły nam dane, wielokrotnie udoskonalaliśmy chemię i fizykę w modelach. Ostatecznie udało nam się wykryć kilka cząsteczek na tych planetach – niektóre po raz pierwszy, w tym siarkowodór” – twierdzi Jerry Xuan z University of California San Diego.

Astronomowie znaleźli bardzo wyraźne ślady siarki na trzeciej planecie w układzie, oznaczonej jako HR 8799 c, chociaż uważają, że prawdopodobnie występuje ona na wszystkich trzech obserwowanych planetach. Odkrył również, że światy te były bogatsze w ciężkie pierwiastki, takie jak węgiel i tlen, niż ich gwiazda, co jak podkreślają badacze, stanowi kolejny dowód na to, że powstały one jako planety.

„Do tej pory istniało wiele modeli powstawania planet, które należało wziąć pod uwagę. Jednak nasze obserwacje sugerują, że starsze modele akrecji jądra są przestarzałe. A spośród nowszych warto przyjrzeć się tym, w których gazowe olbrzymy mogą formować swoje stałe jądra naprawdę daleko od swoich gwiazd” – stwierdza Quinn Konopacky z University of California San Diego.

„Nasze badania przybliżają nas do rozwiązania tajemnicy tego, jak duże mogą być planety, aby być jeszcze planetami, nie przekraczając granicy przemiany w brązowego karła” – podsumowuje Jean-Baptiste Ruffio.

Emil Gołoś