Гигантские, богатые газом планеты могли образовываться легче на ранних этапах развития Вселенной, чем сегодня, согласно поразительным новым результатам, полученным с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST), которые подтверждают более ранние данные, полученные с помощью космического телескопа Хаббл.
В 2003 году Хаббл обнаружил массивную экзопланету . В этом нет ничего необычного, но более детальное изучение показало, что планета, названная PSR B1620-26b, довольно странная. Она вращается не вокруг одного, а вокруг двух объектов, пульсара и белого карлика . Это огарки двух мертвых звезд — массивной звезды, которая стала сверхновой, и звезды, похожей на Солнце , соответственно — и это была первая обнаруженная экзопланета с двойной орбитой (с двойной орбитой означает вращающаяся вокруг двух звезд, как Татуин в « Звездных войнах »).
Планета находится в шаровом скоплении , Мессье 4 , на расстоянии более 6000 световых лет от Земли. Шаровые скопления — это древние, плотно упакованные шары из сотен тысяч звезд. PSR B1620-26b остается единственной планетой, найденной в шаровом скоплении.
Все эти свидетельства указывают на самую необычную вещь о PSR B1620-26b, а именно, что она очень старая. Оценки показывают, что она образовалась 12,7 миллиарда лет назад, что делает ее самой старой из известных экзопланет.
Однако открытие Хаббла было спорным. Предполагаемая мудрость состояла в том, что планеты не могли образоваться так рано в 13,7-миллиардной истории Вселенной, потому что не было достаточно времени для поколений звезд, чтобы произвести много элементов тяжелее первичного водорода или гелия, а планетам обычно нужны эти более тяжелые элементы. Это особенно верно для пылевых, газообразных, планетообразующих или «протопланетных» дисков вокруг молодых звезд.
«Современные теоретические модели предсказывают, что при таком небольшом количестве тяжелых элементов диски вокруг звезд имеют короткую продолжительность жизни, настолько короткую, что планеты не могут вырасти большими», — сказала Елена Сабби, главный научный сотрудник обсерватории Gemini в NOIRLab в Аризоне и соавтор нового исследования, в своем заявлении . «Но Хаббл действительно видел одну из этих планет, так что, если модели неверны и диски могут жить дольше?»
Теперь спектрометр ближнего инфракрасного диапазона (NIRSpec) JWST обнаружил убедительные доказательства того, что диски, формирующие планеты, могут существовать, даже если они содержат относительно мало тяжелых элементов, что убедительно свидетельствует о том, что формирование планет было возможно на ранних этапах истории Вселенной, даже если мы пока не до конца понимаем, как именно это происходило.
JWST отлично справляется с наблюдением за галактиками в течение первого миллиарда лет космического времени, но в этой задаче он был направлен на более близкое место: молодое звездное скопление NGC 346 в Малом Магеллановом Облаке (ММО), которое является галактикой-спутником Млечного Пути, находящейся примерно в 200 000 световых лет от нас.
Карликовые галактики, такие как SMC, часто не эволюционируют, когда дело касается их химии, потому что их история звездообразования не очень обширна, поэтому у них не было возможности накопить много тяжелых элементов, таких как углерод, азот, кислород, кремний или железо. Например, NGC 346 содержит около 10% обилия тяжелых элементов, которые содержатся в областях звездообразования в нашей галактике Млечный Путь. Это делает скопления, такие как NGC 346, отличными прокси для изучения условий, родственных тем, которые были обнаружены в ранней Вселенной.
NGC 346 все еще формирует множество звезд, и JWST обнаружил, что многие из молодых звезд, возрастом от 20 до 30 миллионов лет, все еще имеют вокруг себя диски, формирующие планеты. Их существование обманывает ожидания.
«С Уэббом у нас есть убедительное подтверждение того, что мы увидели с помощью Хаббла, и нам следует переосмыслить то, как мы создаем компьютерные модели формирования планет и ранней эволюции в молодой Вселенной», — сказал Гвидо Де Марки из Европейского центра космических исследований и технологий (ESTEC) в Нидерландах, который руководил исследованием.
Диск, сохранившийся в течение 20–30 миллионов лет, — это исключительно долгий срок; считается, что протопланетный диск в нашей солнечной системе не просуществовал так долго. Открытие предполагает, что протопланетные диски не только могут формироваться и сохраняться в средах, в которых отсутствуют тяжелые элементы, но и могут существовать дольше, давая планетам больше времени для сборки. Хотя тяжелых элементов может быть недостаточно для образования множества каменистых миров, газовые гиганты, такие как Юпитер и Сатурн, в основном состоят из водорода и гелия, которые имеются повсюду.
Так почему же диски, формирующие планеты вокруг звезд в NGC 346 и, предположительно, звезд в ранней Вселенной, существуют так долго? У команды Де Марчи есть два возможных объяснения.
Одна из них заключается в том, что диски, состоящие почти полностью из водорода и гелия, сложнее сдуть звездному свету. Давление излучения от растущей звезды в центре диска обычно определяет продолжительность жизни диска, но этот процесс более эффективен, когда в диске присутствуют тяжелые, пылеобразующие элементы, которые фотоны звезды могут толкать. Поэтому диски с низким содержанием тяжелых элементов могут просуществовать дольше.
Вторая возможность возвращает нас к формированию самой звезды. В туманности, в которой отсутствуют тяжелые элементы, газовому облаку становится сложнее коллапсировать в звезду; облаку нужно стать массивнее, чем это типично для сегодняшнего Млечного Пути, чтобы оно стало достаточно холодным, чтобы гравитация заставила его коллапсировать. Более крупные облака привели бы к более крупным дискам, несущим большую массу, и эта масса потребовала бы больше времени для смещения излучения звезды.
«С большим количеством материи вокруг звезд аккреция длится дольше», — сказал Сабби. «Диски могут исчезать в 10 раз дольше. Это влияет на то, как формируется планета, и на тип планетных систем, которые могут быть в этих различных средах. Это так волнительно».
Новые результаты были опубликованы в The Astrophysical Journal 16 декабря.
Прочитайте что такое взгляд в будущее