Если бы современную эпоху астрономии можно было резюмировать в нескольких словах, это, вероятно, была бы «эпоха смены парадигм». Благодаря телескопам, инструментам и машинному обучению нового поколения астрономы проводят более глубокие исследования космологических загадок, делают открытия и разрушают предвзятые представления. Это включает в себя то, как системы планет формируются вокруг новых звезд, что ученые традиционно объясняли с помощью небулярной гипотезы. Эта теория утверждает, что звездные системы формируются из облаков газа и пыли (туманностей), которые испытывают гравитационный коллапс, создавая новую звезду.
Оставшийся газ и пыль затем оседают в протопланетный диск вокруг новой звезды, который постепенно объединяется, образуя планеты. Естественно, астрономы предполагают, что состав планет будет соответствовать составу самого диска. Однако при исследовании все еще развивающейся экзопланеты в далекой звездной системе группа астрономов обнаружила несоответствие между газами в атмосфере планеты и газами внутри диска. Эти результаты показывают, что отношения между протопланетным диском и образуемыми им планетами могут быть более сложными.
Команду возглавил научный сотрудник Чи-Чун «Дино» Сюй из Центра междисциплинарных исследований и исследований в области астрофизики (CIERA) Северо-Западного университета. К нему и его коллегам присоединились исследователи из Калифорнийского технологического института (Калтех), Калифорнийского университета в Сан-Диего (UCSD) и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA). Статья, в которой подробно описываются их результаты, «PDS 70b показывает звездоподобное соотношение углерода и кислорода», недавно появилась в Письма из астрофизического журнала.
В своем исследовании команда использовала Keck Planet Imager and Featurerizer (KPIC), новый инструмент в обсерватории WM Keck, для получения спектров PDS 70b. Эта все еще формирующаяся экзопланета вращается вокруг молодой переменной звезды (возрастом всего около 5 миллионов лет), расположенной примерно в 366 световых годах от Земли. Это единственная известная астрономам протопланета, находящаяся в полости околозвездного диска, из которого они сформировались, что делает ее идеальной для изучения формирования и эволюции экзопланет в их натальной среде. Джейсон Ван, доцент кафедры физики и астрономии Северо-Западного университета, который консультировал Сюя, объяснил в пресс-релизе Northwestern News:
«Это система, в которой мы видим, как обе планеты все еще формируются, а также материалы, из которых они сформировались. Предыдущие исследования анализировали этот газовый диск, чтобы понять его состав. Впервые нам удалось измерить состав самой еще формирующейся планеты и увидеть, насколько похожи материалы на планете по сравнению с материалами в диске».
До недавнего времени астрономам не удавалось изучить протопланетный диск напрямую, чтобы отследить рождение новых планет. К тому времени, когда большинство экзопланет можно будет наблюдать в телескопы, они уже закончили формироваться, и их натальные диски исчезли. Эти наблюдения являются историческими, поскольку впервые ученые сравнили информацию об экзопланете, ее натальном диске и звезде-хозяине. Их работа стала возможной благодаря новым технологиям фотоники, совместно разработанным Ваном для телескопов Кека.
Эта технология позволила Сюю и его команде запечатлеть спектры PDS 70b и слабые особенности этой молодой планетной системы, несмотря на присутствие гораздо более яркой звезды. «Эти новые инструменты позволяют получать очень подробные спектры слабых объектов рядом с действительно яркими объектами», — сказал Ван. «Потому что проблема здесь в том, что рядом с действительно яркой звездой находится очень тусклая планета. Трудно изолировать свет планеты, чтобы проанализировать ее атмосферу».
Полученные спектры показали наличие угарного газа и воды в атмосфере PDS 70b. Это позволило команде вычислить предполагаемое соотношение атмосферного углерода и кислорода, которое они сравнили с ранее сообщенными измерениями газов в диске. «Изначально мы ожидали, что соотношение углерода и кислорода на планете может быть таким же, как на диске», — сказал Сюй. «Но вместо этого мы обнаружили, что соотношение углерода по отношению к кислороду на планете намного ниже, чем соотношение в диске. Это было немного удивительно и показывает, что наша общепринятая картина формирования планет была слишком упрощенной».
Чтобы объяснить это несоответствие, команда предложила два возможных объяснения. К ним относится возможность того, что планета могла сформироваться до того, как ее диск стал обогащен углеродом, или что планета могла расти в основном за счет поглощения большого количества твердых материалов в дополнение к газам. Хотя спектры показывают только газы, команда признает, что некоторая часть углерода и кислорода могла образоваться из твердых частиц, захваченных льдом и пылью. Сказал Сюй:
«Для астрофизиков-наблюдателей одна широко принятая картина формирования планет, вероятно, была слишком упрощенной. Согласно этой упрощенной картине, соотношение газов углерода и кислорода в атмосфере планеты должно соответствовать соотношению газов углерода и кислорода в ее натальном диске — при условии, что планета аккумулирует материалы через газы в своем диске. Вместо этого мы нашли планету, у которой соотношение углерода и кислорода намного ниже по сравнению с ее диском. Теперь мы можем подтвердить подозрения, что картина формирования планет была слишком упрощенной».
«Если бы планета преимущественно поглощала лед и пыль, то этот лед и пыль испарились бы, прежде чем попасть на планету», — добавил Ван. «Итак, это может означать, что мы не можем просто сравнивать газ с газом. Твердые компоненты могут иметь большое значение в соотношении углерода и кислорода». Для дальнейшего изучения этих теорий команда планирует получить спектры другой молодой экзопланеты PDS 70c в системе. «Изучая эти две планеты вместе, мы сможем еще лучше понять историю формирования системы», — сказал Сюй. «Но, кроме того, это всего лишь одна система. В идеале нам нужно идентифицировать больше из них, чтобы лучше понять, как формируются планеты».
Дополнительная литература: Northwestern Now, The Astrophysical Journal Letters.
