Гасни гиганти су огромне планете направљене првенствено од водоника и хелијума. Можда садрже густа централна језгра, али за разлику од Земље, немају чврсте површине на којима бисте могли стајати. У нашем соларном систему, Јупитер и Сатурн су класични примери. Изван нашег суседства, астрономи су идентификовали многе егзопланете гасовитих џинова, неке далеко веће од Јупитера. Најмасовнији од ових светова почињу да личе на смеђе патуљке, субзвездане објекте који се понекад називају „неуспелим звездама“ јер не спајају водоник.
Ово преклапање поставља велико питање у астрономији. Како тачно настају ове масивне планете? Једна од могућности је акреција језгра, исти процес за који се верује да је створио Јупитер и Сатурн. У овом сценарију, чврсто језгро се полако ствара унутар диска прашине и леда, скупљајући каменит и ледени материјал док не постане довољно масивно да повуче околни гас. Друга могућност је гравитациона нестабилност, где се вртложни облак гаса око младе звезде брзо урушава под сопственом гравитацијом, формирајући велики објекат који више личи на смеђег патуљка.
Истраживачки тим на челу са Калифорнијским универзитетом у Сан Дијегу кренуо је да истражи ову мистерију користећи податке свемирског телескопа Џејмс Веб (ЈВСТ). Проучавајући звездани систем ХР 8799, открили су доказе који нуде изненађујући одговор. Њихови налази су објављени у Природна астрономија.
Систем ХР 8799 и његови Супер Јупитери
ХР 8799 лежи на удаљености од око 133 светлосне године у сазвежђу Пегаз. У њему се налазе четири масивне планете, свака између пет и десет пута већа од масе Јупитера. Ови светови орбитирају на удаљеностима у распону од 15 до 70 астрономских јединица, што значи да је чак и најближа планета 15 пута удаљенија од своје звезде него што је Земља од Сунца. Масе планета се крећу од 5−10 МЈуп, тако да чак и најмања од њих превазилази Јупитер за фактор пет.
На неки начин, ХР 8799 подсећа на увећану верзију нашег соларног система, који такође садржи четири спољне џиновске планете које се протежу од Јупитера до Нептуна. Међутим, сама величина планета ХР 8799 и њихове широке орбите збуниле су научнике. Ранији модели засновани на нашем соларном систему сугерисали су да планете које се формирају акрецијом у језгру неће имати довољно времена да нарасту тако масивне пре него што млада звезда распрши околни диск гаса.
ЈВСТ спектроскопија открива трагове сумпора
Да би копали дубље, астрономи су користили спектроскопију, технику која анализира светлост да би открила хемијски састав и физичка својства удаљених планета. Пре ЈВСТ-а, истраживачи су се ослањали на земаљске телескопе за мерење молекула као што су вода и угљен моноксид у атмосферама егзопланета. Током времена, научници су схватили да молекули на бази угљеника и кисеоника нису идеални за праћење како се планете формирају јер је њихово порекло тешко одредити.
Уместо тога, тим се фокусирао на стабилније материјале познате као ватростални елементи. Ови елементи, укључујући сумпор, постоје у чврстом облику унутар протопланетарног диска где планете добијају облик. Откривање сумпора у атмосфери гасног гиганта снажно указује на формирање кроз акрецију језгра.
„Са својом осетљивошћу без преседана, ЈВСТ омогућава најдетаљније проучавање атмосфере ових планета, дајући нам назнаке о путевима њиховог формирања. Са детекцијом сумпора, можемо закључити да су планете ХР 8799 вероватно формиране на сличан начин као Јупитер упркос томе што су пет до десет пута масивније, што је било истраживање Руфф. на УЦ Сан Диего и први коаутор рада.
ХР 8799 је релативно млад, стар око 30 милиона година (за референцу, наш соларни систем је стар око 4,6 милијарди година). Млађе планете и даље задржавају топлоту од свог формирања, чинећи их светлијим и лакшим за анализу спектроскопијом.
ЈВСТ-ов спектрограф високе резолуције омогућава научницима да испитају светлост егзопланета без сметњи молекула у Земљиној атмосфери. По први пут, астрономи су открили детаљне потписе неколико ретких молекула у атмосферама три унутрашња гасна гиганта система који су претходно били невидљиви.
Откривање водоник-сулфида на удаљеним световима
Издвајање ових информација било је изазовно. Планете су отприлике 10.000 пута слабије од њихове звезде домаћина, а ЈВСТ првобитно није био оптимизован за тако екстремне контрасте. Руффио је развио нове технике анализе података како би изоловао слабе сигнале планета. Јерри Ксуан, 51 Пегаси б Феллов на УЦЛА, направио је софистициране атмосферске моделе да упореди са спектром телескопа и утврди да ли је сумпор присутан.
„Квалитет ЈВСТ података је заиста револуционаран и постојеће мреже атмосферских модела једноставно нису биле адекватне. Да бих у потпуности ухватио оно што нам подаци говоре, итеративно сам пречишћавао хемију и физику у моделима“, рекао је он. „На крају смо открили неколико молекула на овим планетама – неке по први пут, укључујући водоник сулфид.“
Јасни знаци сумпора пронађени су на трећој планети, ХР 8799 ц, а истраживачи верују да вероватно постоји и на друге две унутрашње планете. Тим је такође открио да ове планете садрже веће количине тешких елемената као што су угљеник и кисеоник у поређењу са својом звездом, што је додатни доказ да су се формирале као планете, а не као објекти налик смеђим патуљцима.
Преиспитивање модела формирања планета
„Постоји много модела формирања планета које треба размотрити. Мислим да ово показује да су старији модели акреције језгра застарели“, изјавио је професор астрономије и астрофизике УЦ Сан Диего Квин Конопаки, још један коаутор рада. „А од новијих модела, гледамо оне у којима гасни гиганти могу формирати чврста језгра заиста далеко од своје звезде.“
До сада, ХР 8799 остаје једини систем са директном сликом за који се зна да садржи четири масивна гасна гиганта. Међутим, пронађени су и други системи са једним или два још већа сапутника чије порекло остаје неизвесно.
„Мислим да је питање колико планета може бити велика? изјавио је Руфио. „Може ли планета бити 15, 20, 30 пута већа од масе Јупитера, а да се и даље формира као планета? Где је прелаз између формирања планете и формирања смеђих патуљака?“
Истраживачи настављају да истражују ова питања, проучавајући један по један звездани систем.
Делимична листа аутора: Јеан-Баптисте Руффио, Еве Ј. Лее и Куинн Конопацки (сви УЦ Сан Диего); Јерри В. Ксуан (Калифорнијски институт за технологију и УЦЛА); Димитри Мавет, Аурора Кессели, Цхарлес Беицхман, Геоффреи Бриден и Тхомас П. Греене (сви Калифорнијски институт за технологију); и Иаиаати Цхацхан (УЦ Санта Цруз). Комплетан списак аутора налази се у раду.
Овај рад је делимично подржала Национална управа за аеронаутику и свемир (80НССЦ25К7300 и награда ФИНЕССТ Фелловсхип 80НССЦ23К1434). Сва мишљења, налази и закључци или препоруке изражени у овом раду су ауторова(а) и не одражавају нужно ставове Националне управе за аеронаутику и свемир.
