Атмосфера молодой экзопланеты неожиданно отличается от места ее рождения

Натальный диск PDS 70 с новой планетой PDS 70b (яркое пятно справа). Изучая эту систему, исследователи обнаружили несоответствующий состав газов в атмосфере планеты по сравнению с газами внутри диска. Автор: ESO/A. Müller et al.

Подобно тому, как некоторые дети физически похожи на своих родителей, многие ученые долгое время считали, что развивающиеся планеты должны напоминать вращающийся диск газа и пыли, который их рождает.

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

Удивительное открытие потенциально подтверждает давний скептицизм относительно того, что нынешняя модель образования планет, разработанная учеными, слишком упрощена.

Исследование опубликовано в Astrophysical Journal Letters. Это первый случай, когда физики сравнили информацию об экзопланете, ее натальном диске и звезде-хозяине.

«Для наблюдательных астрофизиков общепринятая картина формирования планет, вероятно, слишком упрощена», — сказал Чи-Чун «Дино» Сюй из Северо-Западного университета, который руководил исследованием.

Сю — постдокторант в Центре междисциплинарных исследований и разработок в астрофизике (CIERA). Его консультантом является Джейсон Ванг, доцент кафедры физики и астрономии в Северо-Западном колледже искусств и наук Вайнберга и член CIERA.

Поиск видимого материала для родов

Все планеты рождаются из натального диска, вращающегося диска газа и пыли, который окружает новую звезду. За миллионы лет гравитация притягивает газ и пыль вместе, образуя комки, которые в конечном итоге вырастают в планеты. До недавнего времени было невозможно получить прямой вид натального диска, чтобы отследить рождение планеты. Большинство наблюдаемых экзопланет слишком старые, поэтому их натальные диски уже исчезли.

Исключением, однако, является PDS 70, натальный диск, который охватывает две молодые газовые гигантские экзопланеты, похожие на Юпитер, называемые PDS 70b и PDS 70c. Расположенные всего в 366 миллионах световых лет от Земли в созвездии Центавра, планеты имеют — самое большее — молодой возраст в 5 миллионов лет.

«Это система, в которой мы видим как планеты, которые еще формируются, так и материалы, из которых они сформировались», — сказал Ван. «Предыдущие исследования анализировали этот газовый диск, чтобы понять его состав. Впервые мы смогли измерить состав самой планеты, которая еще формируется, и увидеть, насколько похожи материалы в планете по сравнению с материалами в диске».

Изучение планетарных отпечатков пальцев

Для измерения материалов Сюй, Ван и их команда исследовали свет, излучаемый PDS 70b. Этот свет, или спектры, подобен отпечатку пальца, раскрывающему состав объекта, движение, температуру и другие характеристики. Каждая молекула или элемент создает свой собственный спектр. Изучая эти спектры, исследователи могут точно определить конкретные молекулы или элементы внутри объекта.

В предыдущей работе Ван был соавтором новых фотонных технологий, позволяющих астрономам захватывать спектр целевых слабых объектов вблизи гораздо более ярких звезд. Исследователи использовали эту технику, чтобы сосредоточиться на слабых особенностях молодой планетной системы.

«Эти новые инструменты позволяют получать действительно подробные спектры слабых объектов рядом с действительно яркими объектами», — сказал Ван. «Потому что проблема здесь в том, что очень слабая планета находится рядом с очень яркой звездой. Трудно выделить свет планеты, чтобы проанализировать ее атмосферу».

С помощью спектров исследователи получили информацию об оксиде углерода и воде из PDS 70b. Из этого они рассчитали предполагаемое соотношение углерода и кислорода в атмосфере планеты. Затем они сравнили это соотношение с ранее полученными измерениями газов в диске.

«Изначально мы ожидали, что соотношение углерода к кислороду на планете будет похоже на диск», — сказал Сю. «Но вместо этого мы обнаружили, что соотношение углерода к кислороду на планете было намного ниже, чем соотношение в диске. Это было немного удивительно, и это показывает, что наша общепринятая картина формирования планет была слишком упрощена».

Твердые компоненты могут иметь значение

Чтобы объяснить это несоответствие, Сюй и Ван считают, что могут быть задействованы два разных сценария. Одно из объяснений заключается в том, что планета могла сформироваться до того, как ее диск обогатился углеродом. Другое объяснение заключается в том, что планета могла расти в основном за счет поглощения большого количества твердых материалов в дополнение к газам. Хотя спектры показывают только газы, часть углерода и кислорода изначально могла быть аккрецирована из твердого тела — захваченного льдом и пылью.

«Если бы планета преимущественно поглощала лед и пыль, то этот лед и пыль испарились бы до того, как попасть в планету», — сказал Ван. «Так что это может говорить нам о том, что мы не можем просто сравнивать газ с газом. Твердые компоненты могут иметь большое значение в соотношении углерода и кислорода».

Для этого исследования команда изучала только PDS 70b. Далее они планируют наблюдать спектры другой планеты в системе PDS 70.

«Изучая эти две планеты вместе, мы можем еще лучше понять историю формирования системы», — сказал Сю. «Но, кроме того, это всего лишь одна система. В идеале нам нужно идентифицировать больше из них, чтобы лучше понять, как формируются планеты».

Больше информации: PDS 70b shows stellar-like carbon-to-oxygen ratio, The Astrophysical Journal Letters (2024). On arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2411.15117

Источник: Northwestern University