Если бы нужно было охарактеризовать современную эпоху астрономии в нескольких словах, то это был бы «период смены парадигм». Новые телескопы, современные инструменты и даже слабые, но перспективные искусственные интеллекты открывают перед астрономами новые горизонты в исследовании тайн космоса, позволяя делать неожиданные открытия и разрушать устоявшиеся представления.
Это касается и формирования планет в околозвёздных системах, которое традиционно объяснялось туманно-планетарной гипотезой. Согласно этой теории, планетные системы образуются из облаков газа и пыли, которые под воздействием гравитации сжимаются, формируя новую звезду, а оставшийся материал образует протопланетный диск вокруг неё.
Астрономы предполагали, что состав планет будет соответствовать составу этого диска. Однако, изучая молодую экзопланету в далёкой звёздной системе, группа учёных обнаружила неожиданное несоответствие между газами в атмосфере планеты и газами в окружающем диске. Эти результаты свидетельствуют о том, что связь между протопланетным диском и формирующимися на нём планетами может быть более сложной, чем считалось ранее.
Возглавили команду китайские научные сотрудники Чи-Чун и Дино Сюй, а также их коллеги из Калифорнийского технологического института, Калифорнийского университета в Сан-Диего и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. Результаты их исследования были опубликованы в The Astrophysical Journal Letters.
Для своей работы команда использовала новый инструмент Keck Planet Imager and Characterizer (KPIC) в обсерватории Кека. С его помощью они получили спектры PDS 70 b (V 1032 Центавра b) — молодого суперюпитера массой в 7,5 раз больше Юпитера, который вращается вокруг звезды всего 5,4 миллионов лет и находится в 369,7 световых годах от Земли.
Известно, что у обоих супер-Юпитеров формируются экзолуны, а у более массивной планеты PDS 70 b — кольцо, лишь немного уступающее знаменитому, но не подтверждённому "суперсатурну" — коричневому карлику [ J1407 B]. В точке Лагранжа у PDS 70 b может находиться троянская планета, масса которой составляет от 0,03 до 2 раз больше массы Луны. Однако её существование пока не подтверждено и требует независимой проверки.
PDS 70 b — это уникальная протопланета, которая находится в центре внешнего протопланетного диска. Этот диск простирается от 65 до 140 астрономических единиц от Солнца, а внутренний диск охватывает область, где расположены Меркурий, Венера, Земля и Марс вокруг нашего светила. Такая позиция PDS 70 b делает её идеальным объектом для исследования формирования экзопланет.
Как отметил Джейсон Ванг, доцент кафедры физики и астрономии Северо-Западного университета: «Мы наблюдаем за процессом формирования обеих экзопланет и исследуем материалы, из которых они состоят. Ранее мы анализировали газовый диск, чтобы понять его состав, но теперь смогли измерить состав самой формирующейся планеты и сравнить его с материалами в диске».
До недавнего времени астрономы не имели возможности напрямую исследовать протопланетный диск, чтобы отследить рождение протопланет. Когда большинство экзопланет становятся доступными для наблюдений, они уже завершают своё формирование, и натальные диски исчезают. Эти наблюдения имеют историческое значение, поскольку ученые впервые смогли сопоставить данные экзопланеты, её натального диска и звезды-хозяина.
Используя методы фотоники, Сюй и его команда смогли получить спектры PDS 70 b, несмотря на яркость соседней звезды. «Эти новые инструменты помогают получать детализированные спектры слабо освещённых объектов рядом с яркими звёздами», — пояснил Ванг. Полученные спектры показали наличие угарного газа и воды в атмосфере PDS 70 b, что дало возможность команде рассчитать соотношение углерода и кислорода в атмосфере и сравнить его с ранее опубликованными результатами.
«Мы предполагали, что соотношение углерода и кислорода на планете будет таким же, как и в диске», — сказал Сюй. «Однако вместо этого мы обнаружили, что содержание этих элементов гораздо ниже, чем мы думали ранее. Это открытие стало для нас настоящим сюрпризом и свидетельствует о том, что общепринятая модель формирования планет, возможно, была излишне упрощенной».
Команда предложила два возможных объяснения этому несоответствию: планета могла сформироваться до обогащения диска углеродом или она могла в основном расти за счёт поглощения твёрдых материалов. «Это может говорить о том, что мы не можем сравнивать газ с газом, твёрдые компоненты могут значительно влиять на соотношение углерода и кислорода», — добавил Ванг.
Чтобы глубже изучить эти теории, команда планирует получить спектры другой экзопланеты в системе — PDS 70 c.
«Исследуя обе экзопланеты, мы сможем лучше понять, как формировалась эта интересная система», — заметил Сюй. «Однако это лишь одна из систем. Было бы замечательно обнаружить больше подобных систем, чтобы углубить наше представление о модели образования экзопланет».