Планети-гіганти утворюються інакше, ніж "невдалі" зірки

Команда астрономів під керівництвом Брендана Боулера з Техаського університету в Остіні досліджувала процес утворення гігантських екзопланет та коричневих карликів - класу об′єктів, масивніших за гігантські планети, проте не настільки, щоб розпалити ядерний синтез у своїх ядрах, щоб сяяти як справжні зірки.

Про це розповідають в Обсерваторії Кека.

Використовуючи пряме отримання зображень наземними телескопами на Гаваях — Обсерваторією М. Кека і телескопом Субару на Маунакеї — команда вивчала орбіти цих тьмяних компаньйонів зірок, що обертаються навколо них у 27 системах. Ці дані в поєднанні з моделюванням орбіт дозволили астрономам визначити, що коричневі карлики в цих системах формувалися як зірки, а газові гіганти -- як планети.

Дослідження було опубліковано в поточному номері журналу The Astronomical Journal.

За останні два десятиліття розвиток технологій дозволив телескопам відокремити світло батьківської зірки від тьмянішого об'єкта на її орбіті. У 1995 році ця нова можливість надала перші прямі зображення коричневого карлика, який обертався навколо зірки. Отримання першого прямого зображення планет, що обертаються навколо іншої зірки, послідувало в 2008 році.

"За останні 20 років ми зістрибували все нижче та нижче за масою", - сказав Боулер щодо можливості прямої візуалізації, зазначивши, що наразі межа становить близько 1 маси Юпітера. По мірі вдосконалення технології, "Одне з головних питань, що виникло, - це "якою є природа знайдених нами компаньйонів?", - додав він.

Коричневі карлики, за визначенням астрономів, мають масу від 13 до 75 мас Юпітера. Вони мають спільні характеристики як з планетами, так і з зірками, і Боулер та його команда хотіли вирішити питання: чи планети-газові гіганти на зовнішніх околицях планетарних систем є вершиною планетарного айсберга, чи нижньою межею по масі для коричневих карликів? Минуле дослідження показало, що коричневі карлики, які обертаються навколо зірок, ймовірно, утворилися як зірки з низькою масою, але було менш зрозуміло, компаньйона з якою найменшою масою може виробити цей механізм утворення.

"Один із способів добратися до цього - вивчити динаміку системи - щоб подивитися на орбіти", - сказав Боулер. Їх орбіти насьогодні є ключем для зрозуміння їхньої еволюції.

Використовуючи систему адаптивної оптики (AO) Обсерваторії Кека з ближньою інфрачервоною камерою другого покоління (NIRC2) на телескопі Кек II, а також телескоп Субару, команда Боулера робила знімки гігантських планет і коричневих карликів під час їх обертання навколо своїх батьківських зірок.

Це довгий процес. Газові гіганти та коричневі карлики, яких вони вивчали, настільки далеко розташовані від батьківських зірок, що один оберт може зайняти сотні років. Щоби визначити навіть невеликий відсоток від орбіти, "ти робиш знімок, ти чекаєш рік", поки тьмяний компаньйон трохи відійде, сказав Боулер. Потім "ти робиш інший знімок, чекаєш ще рік".

Це дослідження спиралося на технологію AO, яка дозволяє астрономам виправляти спотворення, спричинені атмосферою Землі. Оскільки протягом останніх трьох десятиліть інструменти AO постійно вдосконалювались, було отримано багато напряму зроблених зображень коричневих карликів і планет-гігантів. Але оскільки більшість із цих відкриттів були зроблені за останні десятиліття-два, команда має лише зображення, що відповідають декільком відсоткам загальної орбіти кожного об'єкта. Вони поєднали свої нові спостереження за 27 системами з усіма попередніми спостереженнями, опублікованими іншими астрономами або наявними в архівах телескопів.

У цей момент з'являється комп'ютерне моделювання. Співавтори даної роботи допомогли створити орбіто-заповнювальний код під назвою "Orbitize!" який використовує закони планетарного руху Кеплера, щоб визначити, які типи орбіт узгоджуються з вимірюваними положеннями, а які ні.

Код генерує набір можливих орбіт для кожного компаньйона. Невеликий рух кожної планети-гіганта або коричневого карлика утворює "хмару" можливих орбіт. Чим менше хмара, тим більше астрономи наближаються до істинної орбіти компаньйона. І чим більше є точок в даних -- тобто більше прямих зображень кожного об'єкта на його орбіті -- це уточнює форму орбіти.

"Замість того, щоб чекати десятиліття чи століття для того, щоб планета завершила один оберт, ми можемо компенсувати короткі часові проміжки в даних дуже точними вимірюваннями положення", - сказав член команди Ерік Нільсен зі Стенфордського університету. "Частина Orbitize!, яку ми розробили спеціально для заповнення часткових орбіт, OFTI [Орбіта для нетерплячих] дозволила нам знаходити орбіти навіть для компаньйонів із найдовшими періодами", - додав Нільсен.

Знаходження форми орбіти - ключ до відгатки: об'єкти, які мають більш круглі орбіти, ймовірно, були утворені як планети. Тобто, коли хмара з газу та пилу колапсувала, щоб утворити зірку, далекий компаньйон (та будь-які інші планети) утворився із сплющеного диска газу та пилу, що обертався навколо цієї зірки.

У іншому випадку, ті об'єкти, які мають більш витягнуті орбіти, ймовірно, утворилися як зірки. У цьому сценарії згусток газу і пилу колапсував, утворюючи зірку, але він розпався на два скупчення. Кожен згусток потім колапсував, і один утворив зірку, а інший - коричневого карлика, що став обертатися навколо цієї зірки. Це, за суттю, бінарна зіркова система, хоча вона містить одну справжню зірку та одну «невдалу зірку».

"Незважаючи на те, що цим компаньйонам мільйони років, пам'ять про те, як вони утворилися, все ще закодована в їх сучасній ексцентричності", - вказав Нільсен. Ексцентриситет - це міра того, наскільки круглою або витягнутою є орбіта об'єкта.

Результати дослідження команди за 27 віддаленими компаньйонами були однозначними.

"Головне, що ми виявили, що, коли ви розділяєте ці об'єкти за цією канонічною межою у понад 15 мас Юпітера, речі, які ми називаємо планетами, дійсно мають більш круглі орбіти, як популяція, порівняно з рештою. А решта схожі на бінарні зірки", - сказав Боулер.

Майбутнє цієї роботи передбачає як продовження моніторингу за цими 27 об'єктами, так і визначення нових для розширення дослідження. "Наразі розмір вибірки все ще скромний", - сказав Боулер. Його команда використовує супутник Gaia для пошуку додаткових кандидатів для подальшого використання для прямої зйомки з ще більшою чутливістю на майбутньому телескопі Giant Magellan (GMT) та інших об'єктах. Техаський університет є одним із засновників колаборації GMT.

Результати команди Боулера підкріплюють подібні висновки, зроблені нещодавно у ході прямої візуалізації GPIES за допомогою Зображувача планет Gemini, яка виявила докази різного способу утворення коричневих карликів та гігантських планет на основі їх статистичних властивостей.

Читайте ще цікаві новини про космос.