Планеты-гиганты образуются иначе, чем "неудачные" звезды

Команда астрономов под руководством Брендана Боулера из Техасского университета в Остине исследовала процесс образования гигантских экзопланет и коричневых карликов – класса объектов, массивнее гигантских планет, однако не настолько, чтобы разжечь ядерный синтез в своих ядрах, чтобы сиять как настоящие звезды.

Об этом рассказывают в Обсерватории Кека.

Используя прямое получение изображений наземными телескопами на Гавайях – Обсерваторией М. Кека и телескопом Субару на Маунакеи – команда изучала орбиты этих тусклых компаньонов звезд, вращающихся вокруг них в 27 системах. Эти данные в сочетании с моделированием орбит позволили астрономам определить, что коричневые карлики в этих системах формировались как звезды, а газовые гиганты – как планеты.

Исследование было опубликовано в текущем номере журнала The Astronomical Journal.

За последние два десятилетия развитие технологий позволило телескопам отделить свет родительской звезды от более тусклого объекта на ее орбите. В 1995 году эта новая возможность предоставила первые прямые изображения коричневого карлика, который вращался вокруг звезды. Получение первого прямого изображения планет, вращающихся вокруг другой звезды, последовало в 2008 году.

"За последние 20 лет мы спрыгивали все ниже и ниже по массе", - сказал Боулер о возможности прямой визуализации, отметив, что сейчас предел составляет около 1 массы Юпитера. По мере совершенствования технологии, "Один из главных возникших вопросов, - это "какова природа найденных нами компаньонов?", - добавил он.

Коричневые карлики, по определению астрономов, имеют массу от 13 до 75 масс Юпитера. Они имеют общие характеристики как с планетами, так и со звездами, и Боулер и его команда хотели решить вопрос: планеты-газовые гиганты на внешних окраинах планетарных систем являются вершиной планетарного айсберга, или нижней границей по массе для коричневых карликов? Прошлое исследование показало, что коричневые карлики, вращающиеся вокруг звезд, вероятно, образовались как звезды с низкой массой, но было менее понятно, компаньона с какой наименьшей массой может произвести этот механизм образования.

"Один из способов добраться до этого – изучить динамику системы – чтобы посмотреть на орбиты", - сказал Боулер. Их орбиты сегодня являются ключом для понимания их эволюции.

Используя систему адаптивной оптики (AO) Обсерватории Кека с ближней инфракрасной камерой второго поколения (NIRC2) на телескопе Кек II, а также телескоп Субару, команда Боулера делала снимки гигантских планет и коричневых карликов во время их вращения вокруг своих родительских звезд.

Это долгий процесс. Газовые гиганты и коричневые карлики, которых они изучали, настолько далеко расположены от родительских звезд, что один оборот может занять сотни лет. Чтобы определить даже небольшой процент от орбиты, "ты делаешь снимок, ты ждешь год", пока тусклый компаньон немного отойдет, сказал Боулер. Затем "ты делаешь другой снимок, ждешь еще год".

Это исследование опиралось на технологию AO, которая позволяет астрономам исправлять искажения, вызванные атмосферой Земли. Поскольку в течение последних трех десятилетий инструменты AO постоянно совершенствовались, было получено много напрямую сделанных изображений коричневых карликов и планет-гигантов. Но поскольку большинство из этих открытий были сделаны за последние десятилетия-два, команда имеет только изображения, соответствующие нескольким процентам общей орбиты каждого объекта. Они объединили свои новые наблюдения за 27 системами со всеми предыдущими наблюдениями, опубликованными другими астрономами или имеющимися в архивах телескопов.

В этот момент появляется компьютерное моделирование. Соавторы данной работы помогли создать орбито-заполняющий код под названием "Orbitize!", использующий законы планетарного движения Кеплера, чтобы определить, какие типы орбит согласуются с измеряемыми положениями, а какие нет.

Код генерирует набор возможных орбит для каждого компаньона. Небольшое движение каждой планеты-гиганта или коричневого карлика образует "облако" возможных орбит. Чем меньше облако, тем больше астрономы приближаются к истинной орбите компаньона. И чем больше есть точек в данных – то есть больше прямых изображений каждого объекта на его орбите – это уточняет форму орбиты.

"Вместо того, чтобы ждать десятилетия или века для того, чтобы планета завершила один оборот, мы можем компенсировать короткие временные промежутки в данных очень точными измерениями положения", - сказал член команды Эрик Нильсен из Стэнфордского университета. "Часть Orbitize!, которую мы разработали специально для заполнения частичных орбит, OFTI [Орбита для нетерпеливых] позволила нам находить орбиты даже для компаньонов с длинными периодами", - добавил Нильсен.

Нахождение формы орбиты – ключ к отгадке: объекты, имеющие более круглые орбиты, вероятно, были образованы как планеты. То есть, когда облако газа и пыли коллапсировало, чтобы образовать звезду, дальний компаньон (и любые другие планеты) образовался из сплющенного диска газа и пыли, вращающегося вокруг этой звезды.

В противном случае, те объекты, которые имеют более вытянутые орбиты, вероятно, образовались как звезды. В этом сценарии сгусток газа и пыли коллапсировал, образуя звезду, но он распался на два скопления. Каждый сгусток потом коллапсировал, и один образовал звезду, а другой - коричневый карлик, который стал вращаться вокруг этой звезды. Это, по сути, бинарная звездная система, хотя она содержит одну настоящую звезду и одну «неудачную звезду»

"Несмотря на то, что этим компаньонам миллионы лет, память о том, как они образовались, все еще закодирована в их современной эксцентричности", - отметил Нильсен. Эксцентриситет – это мера того, насколько круглой или вытянутой является орбита объекта.

Результаты исследования команды за 27 удаленными компаньонами были однозначными.

"Главное, что мы обнаружили, что, когда вы разделяете эти объекты по этой канонической границей в более чем 15 масс Юпитера, вещи, которые мы называем планетами, действительно имеют более круглые орбиты, как популяция, по сравнению с остальными. А остальные похожи на бинарные звезды", - сказал Боулер.

Будущее этой работы предусматривает как продолжение мониторинга за этими 27 объектами, так и определение новых для расширения исследования. "Сейчас размер выборки все еще скромный", - сказал Боулер. Его команда использует спутник Gaia для поиска дополнительных кандидатов для последующего использования для прямой съемки с еще большей чувствительностью на предстоящем телескопе Giant Magellan (GMT) и других объектах. Техасский университет является одним из основателей коллаборации GMT.

Результаты команды Боулера подкрепляют подобные выводы, сделанные недавно в ходе прямой визуализации GPIES с помощью Изобразителя планет Gemini, которая обнаружила доказательства разного способа образования коричневых карликов и гигантских планет на основе их статистических свойств.

Читайте еще интересные новости о космосе.