Gdzie przebiega granica między gwiazdami a najmasywniejszymi planetami? Problem ten od dawna spędzał sen z powiek astronomom. Najnowsze obserwacje przeprowadzone dzięki Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba w końcu rzucają światło na ten fascynujący problem.
Badacze wzięli pod lupę obiekt 29 Cygni b, giganta wielokrotnie masywniejszego od Jowisza, i dokonali odkrycia, które zmienia nasze postrzeganie narodzin najbardziej ekstremalnych światów we wszechświecie.
Standardowe planety, takie jak Ziemia czy choćby nasz lokalny gazowy olbrzym Jowisz, powstają w procesie powolnego zlepiania się materii. To mechanizm budowania od dołu, w którym drobinki pyłu i lodu wewnątrz potężnego dysku protoplanetarnego łączą się w coraz większe bryły.
Z czasem tworzą one protoplanety, a te ostatecznie przeradzają się w potężne globy ściągające na siebie ogromne ilości gęstego pyłu. Największe z nich gromadzą następnie gaz, stając się olbrzymami, takimi jak Jowisz. Ponieważ formowanie się gazowych olbrzymów zajmuje więcej czasu, a dysk materii, z której powstają planety, ostatecznie paruje i zanika, w układach planetarnych powstaje znacznie więcej małych planet niż dużych.
Im masywniejszy jest jednak obiekt, tym trudniej naukowcom wyjaśnić jego narodziny w ten klasyczny sposób.
Natomiast gwiazdy powstają, gdy rozległa chmura gazu ulega fragmentacji, a każdy jej fragment zapada się pod wpływem własnej grawitacji, stając się mniejszy i gęstszy. Podobny proces fragmentacji mógłby teoretycznie zachodzić również w dyskach protoplanetarnych. To mogłoby wyjaśniać, dlaczego niektóre bardzo masywne obiekty znajdują się miliardy kilometrów od swoich gwiazd macierzystych, w obszarach, w których dysk protoplanetarny powinien być zbyt cienki, aby mogła nastąpić akrecja.
29 Cygni b na celowniku Teleskopu Webba
Właśnie w tym punkcie na scenę wkracza 29 Cygni b. Ten fascynujący obiekt znajduje się na absolutnej granicy dwóch wspomnianych światów. Przy masie około piętnastokrotnie większej od Jowisza i orbicie oddalonej od swojej gwiazdy o 2,4 mld km, co odpowiada mniej więcej odległości Urana w naszym Układzie Słonecznym, wymykał się prostym klasyfikacjom.
Badacze uznali, iż mógł on teoretycznie powstać z wykorzystaniem każdego z tych skrajnie różnych scenariuszy, co uczyniło go idealnym celem naukowym.
Zespół astronomów postanowił wykorzystać potężną kamerę podczerwoną NIRCam, będącą na wyposażeniu teleskopu JWST, aby bezpośrednio uchwycić obraz tego wciąż młodego i gorącego globu. Ze względu na wczesny etap ewolucji, temperatura na powierzchni 29 Cygni b waha się od ponad pięciuset do choćby tysiąca stopni Celsjusza. Takie warunki sprawiają, iż obiekt promieniuje ciepłem w sposób, który idealnie nadaje się do precyzyjnych analiz chemicznych jego atmosfery.
Więcej na Spider’s Web:
Planeta z nienasyconym apetytem
Wybierając odpowiednie filtry, zespół był w stanie szukać oznak pochłaniania światła przez dwutlenek węgla (CO2) i tlenek węgla (CO), co pozwoliło im określić ilość tych cięższych pierwiastków chemicznych, które astronomowie zbiorczo nazywają metalami (mianem metali w astrofizyce określa się wszystko co jest cięższe od helu).
Badacze znaleźli mocne dowody na to, iż 29 Cygni b jest wzbogacona w metale w porównaniu z gwiazdą macierzystą, której skład jest podobny do składu naszego Słońca. Biorąc pod uwagę masę planety, ilość zawartych w niej ciężkich pierwiastków odpowiada około 150 masom Ziemi. Sugeruje to, iż pochłonęła ona duże ilości ciał stałych wzbogaconych w metale z dysku protoplanetarnego.
Zespół wykorzystał również naziemną sieć teleskopów optycznych o nazwie CHARA (Centrum Astronomii o Wysokiej Rozdzielczości Kątowej), aby określić, czy orbita planety pokrywa się z osią obrotu gwiazdy. Potwierdzono to ustawienie, co byłoby oczekiwane w przypadku obiektu, który powstał z dysku protoplanetarnego.
Łącznie, dowody te silnie sugerują, iż 29 Cygni b powstała w dysku protoplanetarnym w wyniku szybkiej akrecji materiału bogatego w metale. Wraz z gromadzeniem danych dotyczących pozostałych trzech obiektów w ramach programu, zespół planuje poszukiwać dowodów na różnice w składzie chemicznym między planetami o mniejszej i większej masie. Powinno to dostarczyć dodatkowych informacji na temat mechanizmów ich powstawania.
To potężny dowód na to, iż ten kosmiczny gigant uformował się dokładnie tak jak klasyczna planeta. Przez miliony lat powoli, ale niezwykle systematycznie i żarłocznie, ściągał na siebie materiał ze stałych, bogatych w metale elementów dysku protoplanetarnego. Wygląda więc na to, iż choćby najbardziej masywne planety w kosmosie potrafią zaczynać od skromnych, posklejanych ziaren pyłu. Artykuł opisujący te odkrycia został opublikowany w czasopiśmie Astrophysical Journal Letters.
Główna ilustracja: Egzoplaneta 29 Cygni b, widoczna na wizualizacji, to gazowy olbrzym o masie około 15 razy większej od masy Jowisza. Krąży wokół gwiazdy typu A (pokazanej w prawym górnym rogu), nieco gorętszej i masywniejszej od naszego Słońca, w średniej odległości 2,4 mld km. Na ilustracji widać hipotetyczny fragment komety zbliżający się do planety. NASA, ESA, CSA, J. Olmsted (STScI)
