Jupiteris gali būti laikomas mūsų Saulės sistemos planetų karaliumi, tačiau kituose žvaigždžių sistemose Galaktikoje aplink savo žvaigždes milijardų kilometrų atstumu skrieja dar didesnių planetų. Jos susidaro tokiose vietose, kur tradicinės planetų formavimosi teorijos sunkiai paaiškina jų kilmę.
Naujame tyrime mokslininkai nagrinėjo tris masyvius dujinius milžinus maždaug už 130 šviesmečių nuo Žemės. Analizuodami jų atmosferų cheminę sudėtį, jie bandė suprasti, kaip tokios milžiniškos planetos gali susiformuoti.
Apie F tipo žvaigždę HR 8799 Pegaso žvaigždyne žinomos keturios dujinės milžinės. Visos jos – kolosalios: jų masė siekia nuo 5 iki 10 Jupiterio masių.
Naudodamiesi vidutinės skiriamosios gebos spektrais, gautais Jameso Webbo kosminio teleskopo (JWST) NIRSpec instrumentu, tyrėjai detaliai išanalizavo trijų vidinių šios sistemos planetų atmosferas 3–5 mikrometrų bangos ilgio ruože.
Šioje iliustracijoje pavaizduotas branduolio akrecijos procesas: kieti branduoliai auga protoplanetinėje disko medžiagoje, traukdami uolines ir ledo daleles, kol tampa pakankamai masyvūs, kad galėtų pritraukti ir juos supančias jaunos žvaigždės dujas.
Dujinės milžinės savo mase gali artėti prie rudųjų nykštukių masių intervalo – tai objektai, kurie trumpai gali skleisti energiją atlikdami deuterio sintezę, tačiau mokslininkai mano, kad šios dvi klasių grupės formuojasi iš esmės skirtingais būdais.
Rudieji nykštukai formuojasi panašiai kaip žvaigždės: iš viršaus žemyn per gravitacinį dujų ir dulkių debesies kolapsą. Tačiau jiems pritrūksta masės, kad galėtų ilgam uždegti ir palaikyti vandenilio sinteziją.
Planetų formavimasis dažniausiai aiškinamas branduolio akrecijos modeliu. Tai procesas „iš apačios į viršų“, kai protoplanetiniame diske lėtai telkiasi kietoji medžiaga – dalelės susiduria, sulimpa ir taip po truputį auga būsimos planetos branduolys. Kai kurie pakankamai dideli branduoliai gali prisitraukti ir savo pradinės ūko dujas, galiausiai tapdami dujinėmis milžinėmis.
Tokiu modeliu aiškinama Jupiterio ir Saturno kilmė. Tačiau kyla klausimas, ar tas pats scenarijus gali veikti tokiose sistemose kaip HR 8799, kur dar masyvesnės planetos skrieja kur kas didesniais atstumais nuo savo žvaigždės.
Šių planetų orbitų atstumai svyruoja nuo 15 iki 70 astronominių vienetų (nuo 2 iki 10 milijardų kilometrų). Tai reiškia, kad jos yra maždaug 15–70 kartų toliau nuo savo žvaigždės, nei Žemė nuo Saulės.
Tokiame nuotolyje dalis ekspertų abejoja, ar masyvios ir taip toli esančios planetos apskritai gali susidaryti branduolio akrecijos būdu. Manoma, kad akrecija toli nuo žvaigždės vyksta daug lėčiau, todėl gali neužtekti laiko, kol protoplanetinis diskas išsisklaidys ir planeta spės sukaupti pakankamai medžiagos. Vienas iš sprendimų – manyti, kad tokie pasauliai gimsta iš gravitacinio kolapso, panašiai kaip rudieji nykštukai.
Siekdami šią idėją patikrinti, tyrėjai panaudojo JWST duomenis apie HR 8799 planetas ir ieškojo sieros – ugniai atsparaus elemento, kuris protoplanetiniuose diskuose dažniausiai būna „užrakintas“ kietose dulkių ir ledo dalelėse. Sieros aptikimas planetos atmosferoje reikštų, kad jos formavimosi metu turėjo būti akrecijuota daug kietos medžiagos.
„Dėl precedento neturinčio savo jautrumo JWST leidžia itin detaliai tirti šių planetų atmosferas ir suteikia užuominų apie jų formavimosi kelią“, – sako vienas iš tyrimo autorių Jeanas-Baptiste’as Ruffio iš Kalifornijos universiteto San Diege.
Mokslininkai rado tvirtų vandenilio sulfido (H₂S) pėdsakų HR 8799 c ir HR 8799 d planetų atmosferose, o jų sudaryti atmosferų modeliai rodo panašų sieros praturtėjimo lygį visose trijose vidinėse sistemos planetose.
„Aptikę sierą galime daryti išvadą, kad HR 8799 planetos tikriausiai formavosi panašiai kaip Jupiteris, nors jų masė yra 5–10 kartų didesnė. To nesitikėjome“, – teigia Ruffio.
Nors šios planetos yra tūkstančius kartų blankesnės už savo žvaigždę, JWST jautrumas leido tyrėjams atskirti labai silpnus planetų signalus nuo akinamos žvaigždės šviesos.
Šiam tikslui jie sukūrė sudėtingus planetų atmosferų modelius ir juos nuolat tikslino, lygindami su surinktais spektro duomenimis.
„Galiausiai šiose planetose aptikome kelias molekules – kai kurias jų pirmą kartą, tarp jų ir vandenilio sulfidą“, – pasakoja kitas tyrimo bendraautoris, astronomas Jerry Xuanas iš Kalifornijos universiteto Los Andžele.
Paaiškėjo, kad visos tirtos planetos yra tolygiai praturtintos sunkiaisiais elementais – anglimi, deguonimi ir siera – palyginti su savo žvaigžde. Tai rodo, kad jų formavimosi metu buvo įtraukta didžiuliai kiekiai kietos medžiagos.
Tokį sunkiųjų elementų kiekį suderinti su klasikiniais planetų formavimosi modeliais, anot tyrėjų, yra sudėtinga.
„Pagal teoriją planetų formavimasis neturėtų būti toks efektyvus“, – teigia Mičigano universiteto astronomas Michaelas Meyeris.
Mokslininkams dar reikės ištirti ir kitas sistemas be HR 8799, tačiau šiuo metu atrodo, kad taip veiksmingas trijų milžiniškų šios sistemos planetų susidarymas yra itin keblus uždavinys.
„Tai tikra mįslė. Iš esmės liekame akistatoje su paslaptimi“, – pripažįsta Meyeris.
