Teleskop Webba pomaga zrozumieć, jak powstają największe planety we Wszechświecie

Astronomowie przyjrzeli się bliżej temu, jak powstają największe planety we Wszechświecie. Nowe obserwacje wykonane przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba wskazują, że 29 Cygni b – aż 15 razy masywniejsza od Jowisza – powstała w procesie akrecji, podobnie jak światy w naszym Układzie Słonecznym.

Powstawanie planet: czy akrecja działa także dla gigantów?

Planety, takie jak te obecne w Układzie Słonecznym, powstawały w procesie, w którym małe kawałki skał i lodu łączyły się, z czasem tworząc większe obiekty. Jednak astronomowie mieli wątpliwości, czy większe i masywniejsze planety mogły również formować się w ten sposób.

W ramach nowego badania naukowcy z NASA wykorzystali Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba do zbadania 29 Cygni b, obiektu o masie około 15 razy większej od Jowisza, krążącego wokół pobliskiej gwiazdy. Odkryli wiele dowodów na to, że rzeczywiście powstała ona w tym oddolnym procesie, co pomaga lepiej zrozumieć, jak powstają najmasywniejsze planety. Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie „The Astrophysical Journal Letters”.

Jak opisują badacze, proces powstawania planet zachodzi w gigantycznych dyskach gazu i pyłu krążących wokół gwiazd poprzez proces akrecji. Materiał łączy się w większe cząstki, które zderzają się i rosną, tworząc protoplanety, a ostatecznie planety. Największe z nich następnie gromadzą gaz, stając się gazowymi olbrzymami, takimi jak Jowisz. Ponieważ powstawanie gazowych olbrzymów trwa dłużej, a dysk materiału planetotwórczego z czasem rozprasza się i znika, układy planetarne kończą z wieloma małymi planetami i znacznie mniejszą liczbą większych.

W przeciwieństwie do tego gwiazdy powstają, gdy ogromna chmura gazu dzieli się, a każda część zapada się pod własną grawitacją, stając się coraz mniejsza i gęstsza. Podobny proces podziału mógłby teoretycznie zachodzić także w dyskach protoplanetarnych. Mogłoby to wyjaśniać, dlaczego niektóre bardzo masywne obiekty znajdują się miliardy kilometrów od swoich gwiazd, w regionach, gdzie dysk protoplanetarny powinien być zbyt rozrzedzony, aby mogła zachodzić akrecja.

29 Cygni b – jak powstała?

W czasie nowego badania astronomowie użyli Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba do bezpośredniego obrazowania 29 Cygni b, planety, która ma masę 15 razy większą od Jowisza. Znaleźli dowody na obecność ciężkich pierwiastków chemicznych, takich jak węgiel i tlen, co sugeruje, że planeta powstała w procesie akrecji w dysku protoplanetarnym.

29 Cygni b znajduje się na granicy między dwoma różnymi mechanizmami powstawania. Ma masę 15 razy większą od Jowisza i krąży wokół swojej gwiazdy w średniej odległości 2,4 miliarda kilometrów, podobnej do Urana w naszym Układzie Słonecznym. Badacze wybrali ten obiekt, ponieważ mógł on powstać w obu procesach.

„Modele komputerowe wskazują, że fragmentacja w dysku w bardzo łatwy sposób mogła doprowadzić do powstania obiektów o znacznie większych masach niż 29 Cygni b. Waga tego obiektu jest najniższą, jaką można w ten sposób uzyskać. Ale jednocześnie jest to niemal najwyższa masa, jaką można uzyskać przez akrecję” – mówi William Balmer z Johns Hopkins University i Space Telescope Science Institute.

Kosmiczny Teleskop Webba pomaga badać odległe światy

Egzoplaneta 29 Cygni b została bezpośrednio zobrazowana w ramach programu obserwacyjnego „Balmera”, w ramach którego wykorzystywano kamerę NIRCam (Near-Infrared Camera) na Teleskopie Webba. Była ona pierwszym z czterech obiektów wybranych do badania, z których wszystkie miały masę od 1 do 15 mas Jowisza. Astronomowie wskazali również, że cele ich analiz powinny krążyć w odległości około 15 miliardów kilometrów od swoich gwiazd.

Wszystkie badane planety były młode i wciąż gorące po swoim powstaniu, z temperaturami od około 530 do 1000 stopni Celsjusza. Miało to zapewnić, że ich skład atmosfery będzie podobny do planet w układzie HR 8799, który badano wcześniej w ramach projektu „Balmer”.

Cięższe pierwiastki dowodem na powstawanie planet w dysku

Wybierając odpowiednie filtry w instrumentach obserwacyjnych, naukowcy mogli poszukiwać oznak pochłaniania światła przez dwutlenek węgla (CO₂) i tlenek węgla (CO), co pozwoliło następnie określić ilość tych cięższych pierwiastków chemicznych, które astronomowie nazywają metalami.

Astronomowie odkryli dowody na to, że 29 Cygni b zawiera większą ilość metali w porównaniu do swojej gwiazdy macierzystej, która ma skład podobny do Słońca. Biorąc pod uwagę masę planety, ilość ciężkich pierwiastków odpowiada około 150 masom Ziemi. Sugeruje to, że zgromadziła ona duże ilości fragmentów ciał stałych bogatych w te związki, z dysku protoplanetarnego.

Czy odkrycie zmienia teorię powstawania planet?

Naukowcy wykorzystali również sieć teleskopów CHARA (Center for High Angular Resolution Astronomy), aby określić, czy orbita planety jest zgodna z rotacją gwiazdy. Potwierdzili to dopasowanie, co wskazywało, że obiekt mógł powstać w dysku protoplanetarnym.

„Wykazaliśmy, że nachylenie orbity planety jest dobrze wyrównane z osią rotacji gwiazdy, co jest podobne do tego, co widzimy w przypadku planet w naszym Układzie Słonecznym” – podkreśla Ash Messier z Johns Hopkins University.

„Wszystkie te dowody sugerują, że 29 Cygni b powstała w dysku protoplanetarnym poprzez szybkie gromadzenie materiału bogatego w metale, a nie poprzez fragmentację gazu. Innymi słowy, powstała jak planeta, a nie jak gwiazda” – podsumowuje William Balmer.

Emil Gołoś