Согласно новому исследованию, экзопланеты с массой, аналогичной массе Юпитера, сформировались гораздо раньше, чем считалось. Результаты исследования, проведенного в Университете штата Огайо, предоставляют новую информацию о сроках аккреции — процесса накопления большого количества газа, а также твердых частиц, богатых углеродом и кислородом, при формирования крупных планет юпитерианского типа. Исследование опубликовано в The Astrophysical Journal.
Планеты формируются из протопланетных дисков, вращающихся облаков пыли и газа, которые являются базовыми ингредиентами при формировании планет. Новое исследование показывает, что аккреция происходит уже на ранних этапах, когда диски «пышнее» и намного моложе, чем считалось ранее.
В то время как количество вновь открытых экзопланет продолжает расти, происхождение этих миров и факторы, влияющие на их формирование, остаются загадкой. Например, считалось, что для полного формирования планет, похожих на Юпитер, требуется от 3 до 5 миллионов лет. Однако недавние наблюдения показывают, что для газового гиганта процесс занимает всего лишь от 1 до 2 миллионов лет. Полученные результаты могут заставить ученых пересмотреть и обновить свои теории формирования небесных тел в Солнечной системе и за ее пределами.
Более глубокое понимание того, как «растут» далекие экзопланеты, может помочь исследователям лучше понять эволюцию Солнечной системы и ранней Земли, которая появилась намного позже Юпитера.
Считается, что планеты формируются по принципу от простого к сложному, на нем базируется теория аккреции ядра. Но существует гипотеза о другом механизме — когда они образуются в результате гравитационной нестабильности. Сгустки в диске вокруг звезды слишком массивны, чтобы поддерживать себя в стабильном состоянии. Они разрушаются, после чего начинает работать основной механизм — вокруг крупных обломков начинает накапливаться масса пыли и газа.
По словам Джи Ванга, автора исследования, доцента кафедры астрономии в Университете штата Огайо, важно понять какой из этих двух дополняющих друг друга механизмов эволюции встречается чаще. В ходе работы специалисты проанализировали выборку из семи газовых гигантов, химические составы которых уже были достоверно измерены в ходе предыдущих исследований. Они были сопоставлены с данными наших «родных» газовых гигантов — Юпитере и Сатурне.
Джи Ванг доказал, что раннее формирование этих экзопланет согласуется с недавно подтвержденной гипотезой, что Юпитер сформировался намного раньше Земли и других планет Солнечной системы. Рассуждения Ванга основаны на необычайно большом количестве твердых веществ, которые присутствуют в газовых небесных телах.
В начале своего формирования планета забирает из протопланетного диска все химические элементы без разбора. В результате растет содержание металлов в ее атмосфере. Наблюдая за спектральными следами, которые они оставляют, исследователи могут измерить количество твердых веществ, которые планета накопила в младенчестве и юности.
Чем выше показатель металличности, тем больше твердых веществ — не только металлов, а всего, что находится в периодической таблице Менделеева выше водорода и гелия. В значительном количестве тяжелые элементы могут быть накоплены только в период первичного формирования. Ученые подсчитали, что в среднем каждая из исследованных экзопланет накопила твердых веществ на 53 земных массы. Для сравнения: в нашей Солнечной системе общее количество таких веществ составляет всего от 30 до 50 масс Земли.
Новые данные свидетельствуют о том, что «строительные блоки», из которых формировались экзопланеты, были доступны на самой ранней стадии эволюции протопланетного диска. Их доступность значительно снизилась уже через пару миллионов лет.
Поскольку газовые гиганты притягивают огромное количество вещества во время аккреции, их формирование и миграция в пространстве влияют на развитие каменистых планет земного типа в других частях протопланетного диска. Считается, что в Солнечной системе массивные Юпитер и Сатурн вытолкнули почти невесомый по сравнению с ними Меркурий с его первоначальной орбиты в сторону Солнца. Марс на орбите удержался, но значительно потерял в весе, став меньше Земли и Венеры.
Астрономам, желающим провести аналогичный анализ формирования планет, автор работы предлагает статистический механизм определения общей массы твердого вещества, накопленного любой экзопланетой или экзопланетной системой.
Джи Ванг ожидает, что его работа будет дополнена новыми данными, полученными с помощью более совершенных инструментов высокого разрешения, таких как космический телескоп «Джеймс Уэбб». О его роли в исследовании далеких миров мы неоднократно рассказывали на нашем портале.
