Планеты, подобные тем, что входят в нашу Солнечную систему, формируются восходящим способом: мелкие кусочки породы и льда слипаются вместе и со временем наращивают массу. Однако чем массивнее планета, тем сложнее объяснить ее формирование таким путем. Астрономы использовали космический телескоп Джеймс Уэбб (NASA) для изучения объекта 29 Cygni b, масса которого примерно в 15 раз превышает массу Юпитера и который вращается вокруг соседней звезды. Они обнаружили несколько линий доказательств того, что 29 Cygni b действительно сформировался в результате этого восходящего процесса, что дает новое понимание того, как возникли самые массивные планеты.
Процесс формирования планет в целом понимается как происходящий внутри гигантских дисков из газа и пыли вокруг звезд через процесс, называемый аккрецией. Пылевые частицы слипаются, образуя более крупные зерна, которые сталкиваются и растут, формируя планетезимали и в конечном итоге планеты. Крупнейшие из них затем набирают газ, становясь гигантами наподобие Юпитера. Поскольку для формирования газовых гигантов требуется больше времени, а диск из планетообразующего материала в итоге испаряется и исчезает, планетные системы в итоге содержат гораздо больше маленьких планет, чем крупных. В отличие от этого, звезды формируются, когда огромное газовое облако фрагментируется, и каждый кусок сжимается под действием собственной гравитации, становясь меньше и плотнее. Теоретически аналогичный процесс фрагментации может происходить и внутри протопланетных дисков. Это могло бы объяснить, почему некоторые очень массивные объекты находятся на расстоянии миллиардов километров от своих родительских звезд, в областях, где протопланетный диск должен был быть слишком разреженным для аккреции.
29 Cygni b находится на границе, разделяющей то, что можно объяснить этими двумя различными механизмами. Его масса составляет 15 масс Юпитера, а орбита проходит на среднем расстоянии 2,4 миллиарда километров от звезды, примерно на том же удалении, что и Уран в нашей Солнечной системе. Исследовательская группа выбрала его именно потому, что он потенциально мог возникнуть в результате любого из процессов. Ведущий автор исследования Уильям Балмер из Университета Джонса Хопкинса и Института космического телескопа объяснил, что в компьютерных моделях фрагментация в диске очень легко приводит к гораздо более высоким массам, чем у 29 Cygni b, и этот объект является наименьшей массой, которую можно правдоподобно получить при фрагментации, но в то же время это примерно самая высокая масса, которую можно получить путем аккреции.
Программа наблюдений Балмера использовала камеру ближнего инфракрасного диапазона (NIRCam) Уэбба в коронографическом режиме для прямой съемки 29 Cygni b. Эта планета стала первой из четырех объектов, намеченных программой, все из которых, как известно, имеют массу от 1 до 15 масс Юпитера. Кроме того, исследователи отобрали только те объекты, которые вращаются в пределах около 15 миллиардов километров от своих звезд. Все планеты были молоды и все еще горячи от своего формирования, их температура колебалась от 530 до 1000 градусов по Цельсию. Это должно было гарантировать, что их химический состав атмосферы будет похож на планеты системы HR 8799, которую Балмер изучал ранее.
Выбирая соответствующие фильтры, команда смогла искать признаки поглощения света диоксидом углерода (CO2) и угарным газом (CO), что позволило им определить количество этих более тяжелых химических элементов, которые астрономы собирательно называют металлами. Они нашли убедительные доказательства того, что 29 Cygni b обогащен металлами по сравнению с его родительской звездой, которая по своему составу похожа на наше Солнце. Учитывая массу планеты, количество тяжелых элементов, которые она содержит, эквивалентно примерно 150 массам Земли. Это позволяет предположить, что планета аккрецировала большое количество обогащенных металлами твердых тел из протопланетного диска.
Команда также использовала наземный массив оптических телескопов CHARA, чтобы определить, совпадает ли орбита планеты с вращением звезды. Они подтвердили это совпадение, которое можно было бы ожидать для объекта, сформировавшегося из протопланетного диска. Соавтор исследования Эш Мессье, аспирант Университета Джонса Хопкинса, отметил, что они смогли уточнить орбиту планеты, а также наблюдали за родительской звездой, чтобы определить ее ориентацию относительно этой орбиты. Исследователи показали, что наклонение планеты хорошо совпадает с осью вращения звезды, что похоже на то, что мы видим для планет нашей Солнечной системы.
Собранные вместе, эти доказательства убедительно свидетельствуют о том, что 29 Cygni b сформировался внутри протопланетного диска в результате быстрой аккреции богатого металлами материала, а не в результате фрагментации газа. Иными словами, он сформировался как планета, а не как звезда. По мере того как команда собирает данные о других трех целях своей программы, они планируют искать доказательства различий в составе между планетами с меньшей и большей массой. Это должно дать дополнительное понимание механизмов их формирования.
Исследование опубликовано в журнале The Astrophysical Journal Letters.