AJL: Обнаружено несоответствие состава атмосферы экзопланеты и окружающего диска

Как некоторые дети физически похожи на своих родителей, так и многие ученые долгое время считали, что развивающиеся планеты должны быть похожи на закрученный диск газа и пыли, который их порождает.

Но в новом исследовании группа астрофизиков под руководством Северо-Западного университета обнаружила, что это сходство может быть более слабым, чем считалось ранее. Изучая все еще формирующуюся экзопланету и окружающий ее родовой диск, исследователи обнаружили несоответствие состава газов в атмосфере планеты по сравнению с газами внутри диска.

Удивительная находка потенциально подтверждает давний скептицизм в отношении того, что существующая модель формирования планет слишком упрощена учеными.

Исследование опубликовано в журнале Astrophysical Journal Letters. В нем физики впервые сопоставили информацию, полученную от экзопланеты, ее родного диска и звезды-хозяина.

Для астрофизиков-наблюдателей одна широко распространенная картина формирования планет была, вероятно, слишком упрощенной, — говорит Чи-Чун «Дино» Хсу из Северо-Западного университета, возглавлявший исследование.

Согласно этой упрощенной картине, соотношение углеродных и кислородных газов в атмосфере планеты должно соответствовать соотношению углеродных и кислородных газов в ее родном диске — предполагается, что планета аккрецирует материалы через газы в своем диске.

Вместо этого мы обнаружили планету с гораздо более низким соотношением углерода и кислорода по сравнению с ее диском. Теперь мы можем подтвердить подозрения, что картина формирования планет была слишком упрощенной.

Хсу является постдокторантом Центра междисциплинарных исследований в области астрофизики (CIERA). Его консультирует Джейсон Ванг, доцент физики и астрономии в Северо-Западном колледже искусств и наук имени Вайнберга и член CIERA.

Поиск видимого материала для рождения

Все планеты рождаются из натального диска — вращающегося диска из газа и пыли, который окружает новую звезду. В течение миллионов лет гравитация стягивает газ и пыль вместе, образуя сгустки, которые в итоге превращаются в планеты. До недавнего времени было невозможно получить прямой вид натального диска, чтобы проследить за рождением планеты. Большинство наблюдаемых экзопланет слишком стары, поэтому их натальные диски уже исчезли.

Исключением, однако, является PDS 70 — натальный диск, который окутывает две зарождающиеся газовые экзопланеты-гиганты — похожие на Юпитер — под названием PDS 70b и PDS 70c. Расположенные всего в 366 миллионах световых лет от Земли в созвездии Центавра, планеты имеют возраст не более 5 миллионов лет.

В этой системе мы видим, что обе планеты еще формируются, как и материалы, из которых они образовались, — говорит Ванг.

Предыдущие исследования анализировали этот газовый диск, чтобы понять его состав. Впервые мы смогли измерить состав самой все еще формирующейся планеты и увидеть, насколько схожи материалы в ней по сравнению с материалами в диске.

Изучение планетарных отпечатков пальцев

Чтобы измерить состав материалов, Хсу, Ванг и их команда изучили свет, излучаемый PDS 70b. Этот свет, или спектр, похож на отпечаток пальца, который позволяет определить состав, движение, температуру и другие характеристики объекта. Каждая молекула или элемент имеет свой собственный спектр. Таким образом, изучая эти спектры, исследователи могут точно определить конкретные молекулы или элементы в объекте.

В своей предыдущей работе Ванг участвовал в разработке новых технологий фотоники, которые позволяют астрономам снимать спектры тусклых объектов, расположенных рядом с более яркими звездами. Исследователи использовали эту технику, чтобы определить слабые особенности молодой планетарной системы.

Эти новые инструменты позволяют снимать действительно подробные спектры слабых объектов рядом с очень яркими, — говорит Ванг.

Ведь проблема в том, что рядом с очень яркой звездой находится очень слабая планета. Трудно выделить свет планеты, чтобы проанализировать ее атмосферу.

С помощью спектров исследователи получили информацию о монооксиде углерода и воде на PDS 70b. На их основе они рассчитали предполагаемое соотношение углерода и кислорода в атмосфере планеты. Затем они сравнили это соотношение с данными предыдущих измерений газов в диске.

Изначально мы ожидали, что соотношение углерода и кислорода на планете будет таким же, как и на диске, — говорит Хсу.

Но вместо этого мы обнаружили, что соотношение углерода и кислорода на планете гораздо ниже, чем в диске. Это немного удивительно и показывает, что наша общепринятая картина формирования планет была слишком упрощенной.

Твердые компоненты могут быть причиной разницы

Чтобы объяснить это несоответствие, Хсу и Ванг считают, что здесь могут действовать два разных сценария. Согласно одному из них, планета могла сформироваться до того, как ее диск обогатился углеродом. Другое объяснение заключается в том, что планета могла вырасти в основном за счет поглощения большого количества твердых материалов в дополнение к газам. Хотя в спектрах видны только газы, часть углерода и кислорода изначально могла быть получена из твердого вещества — льда и пыли.

Если бы планета преимущественно поглощала лед и пыль, то эти лед и пыль должны были бы испариться, прежде чем попасть в планету, — говорит Ванг.

Таким образом, это может говорить о том, что мы не можем просто сравнивать газ с газом. Твердые компоненты могут оказывать существенное влияние на соотношение углерода и кислорода.

В рамках данного исследования команда изучала только PDS 70b. Далее они планируют пронаблюдать спектры другой планеты в системе PDS 70.

Изучив эти две планеты вместе, мы сможем еще лучше понять историю формирования системы, — говорит Хсу.

Но это всего лишь одна система. В идеале нам нужно выявить больше таких систем, чтобы лучше понять, как формируются планеты.

Ранее астрономы увидели рождение звезд благодаря огненной ленте Ориона.

18.12.2024