Экзопланеты-газовые гиганты образовались раньше, чем считается - говорит исследование

Свежий взгляд на прошлые данные показывает, что экзопланеты с Юпитеро-подобной массой сформировались гораздо раньше, чем предлагают имеющиеся модели планетообразования.

Об этом рассказывают в Университете штата Огайо, передают OstanniPodii.com.

Результаты исследования предоставляют новую информацию о времени аккреции -- процессе накопления большого количества газа, а также твердых частиц, богатых углеродом и кислородом, для создания крупных планет, таких как Юпитер.

Планеты формируются из протопланетных дисков -- облаков пыли и газа, которые являются идеальными ингредиентами для формирования планет. Это новое исследование предполагает, что аккреция происходит на ранних стадиях, когда диски массивные и гораздо моложе, чем исследователи считали ранее.

Хотя количество новых подтвержденных экзопланет продолжает расти, происхождение этих миров и факторы, влияющие на их формирование, все еще остаются загадкой, которую ученые стремятся разгадать. Например, первоначально считалось, что Юпитеро-подобным экзопланетам для полного формирования требуется от 3 до 5 миллионов лет; последние наблюдения показывают, что для такого газового гиганта, как Юпитер, этот процесс, скорее всего, длится от 1 до 2 миллионов лет.

Это открытие бросает вызов существующим теориям относительно того, в каком "возрасте" протопланетных дисков были сформированы эти планеты, говорит Цзи Ванг, автор исследования и доцент кафедры астрономии в Университете штата Огайо. Результаты исследования могут побудить ученых к переоценке и пересмотру своих теорий формирования планет в Солнечной системе и в других местах.

"Все, что мы знаем об экзопланетах, можно поместить в контекст Солнечной системы и наоборот", - говорит Ванг. "Обычно формирование планет происходит по восходящей схеме, то есть начинается с малых объектов, которые накапливают на себя, чтобы сформировать большую планету, но этот путь занимает много времени".

Хотя экзопланеты относятся к планетным объектам, вращающимся далеко за пределами нашей Солнечной системы, понимание того, как они образуются, может помочь астрономам лучше понять эволюцию Солнечной системы и ранней Земли, формирование которой произошло гораздо позже, чем Юпитера, но все же подверглось значительному влиянию от него.

Интерпретация формирования планет "снизу вверх" называется "теорией аккреции ядра", но другой возможный механизм образования -- это когда планеты формируются из-за гравитационной нестабильности, когда сгустки в диске вокруг звезды становятся слишком массивными, чтобы поддерживать себя, и коллапсируют, образуя планеты. По словам Ванга, поскольку история аккреции планеты может быть тесно связана с этими двумя убедительными, но взаимодополняющимися формирующими механизмами эволюции, важно определить, какой процесс происходит чаще.

Исследование было недавно опубликовано в The Astrophysical Journal.

В исследовании проанализирована выборка из семи экзопланет-газовых гигантов, звездные и планетарные химические свойства которых уже были непосредственно измерены предыдущими исследованиями. Их сравнили с данными о газовых гигантах нашей Солнечной системы -- Юпитера и Сатурна.

Ванг показал, что раннее формирование этих экзопланет согласуется с последними данными о том, что Юпитер сформировался гораздо раньше, чем считалось ранее. Этот вывод основывается на удивительно большом количестве твердых веществ, которые накопили эти экзопланеты.

Все материалы, накапливающиеся на планете в начале ее формирования, повышают металличность ее атмосферы, и, наблюдая за следами, которые они оставляют, исследователи могут измерить количество твердых частиц, которые когда-то собрала планета.

Чем выше металличность, тем больше твердых веществ и металлов -- всего, что в периодической таблице является массивнее водорода и гелия -- ученые могут предположить, что было накоплено в процессе формирования, говорит Ванг.

"Мы можем сделать вывод, что в среднем каждая из пяти отобранных планет накопила твердые вещества, эквивалентные 50 массам Земли", - говорит он. "Такое большое количество твердых веществ можно найти только тогда, когда система моложе 2 миллионов лет, но в нашей Солнечной системе общее количество имеющихся твердых веществ составляет лишь от 30 до 50 масс Земли".

Эти новые данные означают, что строительные блоки, из которых образовались экзопланеты, были доступны на более ранней стадии эволюции протопланетного диска, чем предполагалось ранее, и их доступность значительно уменьшилась в течение миллионов лет. Поскольку ученые обычно не ожидают найти доказательства того, что планеты образовались так рано, это открытие, которое, вероятно, будет трудно согласовать с существующими теориями, говорит Ванг.

"Эти экзопланеты образовались так рано, что на них все еще были доступны большие запасы металлов", - сказал Ванг. "Это то, к чему научное сообщество не было полностью готово, поэтому теперь им придется придумывать новые теории, чтобы объяснить это".

Поскольку газовые гиганты втягивают в себя огромное количество вещества во время аккреции, их формирование и миграция через космос также влияет на развитие каменистых планет в других частях протопланетного диска. Считается, что в Солнечной системе это явление привело к тому, что Юпитер и Сатурн вытеснили Меркурий с его первоначальной орбиты, а Марс стал намного меньше Земли или Венеры.

При всем том, чтобы помочь астрономам, которые стремятся сделать подобный анализ формирования планет в будущем, работа также предоставляет статистическую основу для вывода общей массы твердой аккреции для любой другой экзопланеты, которая, как отмечается в исследовании, может стать идеальным инструментом для исследования других видов сложных элементарных данных.

И хотя это исследование опиралось исключительно на архивные данные, Ванг ожидает, что его работа будет дополнена новыми данными высокого разрешения, собранными с помощью более совершенных инструментов, таких как мощные наземные астрономические обсерватории или технологии следующего поколения, такие как космический телескоп Джеймса Уэбба.

"Расширяя эту работу на большую выборку экзопланет, мы надеемся, что тенденция, обнаруженная в этой статье, сохранится", - отметил Ванг.

• Экзопланеты
• планетообразование