Блуждающие миры бросают вызов современным теориям планетообразования

В октябре 2023 года астрономы воспользовались космическим телескопом им. Джеймса Уэбба (James Webb Space Telescope — JWST) для детального изучения одной из средних звёзд в мече Ориона и выявили ещё около 500 ранее невидимых объектов. Эти миры настолько малы и тусклы, что определить их принадлежность к звёздам или планетам становится затруднительным. . Именно эта неопределённость беспокоила Галилео, который в своём астрономическом трактате 1610 года называл спутники Юпитера как звёздами, так и планетами на одной и той же странице. Она продолжает беспокоить астрономов и по сей день.

«Когда мы смотрим на Солнечную систему, всё выглядит аккуратно. Есть Солнце и есть планеты, — говорит астроном Европейского космического агентства (ЕКА) Сэмюэль Пирсон, — И нет ничего промежуточного. Но когда вы пристально вглядываетесь в эту область космоса, то понимаете, что между этими двумя крайностями существует полный спектр объектов практически с любой массой ».

Наблюдения при помощи JWST позволяют расширять каталог изолированных объектов, занимающих серую зону между гигантскими планетами и крошечными звёздами. Эти, как их ещё иногда называют, «свободно парящие» или «блуждающие» одинокие миры дрейфуют в космосе сами по себе. Астрономы полагают, что масса этих тёмных газовых шаров такая же, как у Юпитера,  а вот их происхождение остаётся загадочным. Являются ли они на самом деле планетами — так называемыми «юпитерами», которые когда-то вращались вокруг звёзд, но каким-то образом были выброшены из своих систем? Или же они больше похожи на микро-звёзды, в которых так и не началась термоядерная реакция?

Вместо того чтобы ответить на этот вопрос, наблюдения, проводимые при помощи JWST, добавляют новых загадок: инфракрасная оптика телескопа зафиксировала, что десятки миров, кажется, представлены парами, вращающимися вокруг друг друга — это удивительное открытие, которое, если подтвердится, будет противоречить любым ожиданиям.

«Мы что-то упускаем, — утверждает Нинке ван дер Марель, учёная, занимающаяся проблемой формирования планет в Лейденской обсерватории в Нидерландах, — и мы не знаем, что же это может быть».

Эти невероятные дуэты не объяснить никакими известными теориями формирования как звёзд, так и блуждающих планет. Однако в течение недели после обнародования сделанных JWST снимков небольшая группа исследователей опубликовала новую смелую теорию, описывающую, как гигантские планеты могут быть выброшены из своей домашней системы парами — событие, которое большинство учёных считали практически невозможным. Сможет ли их предположение полностью объяснить весь этот разнообразный мир тусклых, беззвёздных объектов —ещё предстоит выяснить. Но исследователи ожидают, что скоро смогут закончить дополненную теорию появления как блуждающих миров, так и систем, формирующих их.

«Если это открытие действительно подтвердится, — сказал астрофизик из Университета Джорджа Мейсона Питер Плавчан, не участвовавший в обнаружении юпитерианских пар, — это действительно станет прорывом».

Тёмные миры повсюду

Блуждающие миры ускользали от внимания астрономов в течение веков из-за полного отсутствия какого-либо объекта, освещающего их. Чтобы объект стал звездой, он должен иметь массу по меньшей мере в 80 раз больше, чем у Юпитера — это создаёт условия для протекания термоядерных реакций в его недрах. Блуждающие же миры гораздо легче и обычно весят не более 13 юпитерианских масс. (все объекты, имеющие массу от 13 до 80 юпитерианских, могут синтезировать более тяжёлый вариант водорода и классифицируются как бурые карлики, или, как иногда их романтично называют астрономы, «неудавшиеся звёзды»).

На самом деле, относительная невидимость свободно блуждающих планет когда-то заставила некоторых астрофизиков задуматься о том, не могли бы эти объекты вместе обладать достаточной массой для объяснения тёмной материи — неидентифицированной массы, которая, как кажется некоторым учёным, не даёт галактикам развалиться на части. Этот вопрос побудил астрономов искать признаки существования таких миров ещё в 1990-е годы, что они и сделали, исследуя тонкие изменения, которые их гравитация могла вызвать в свечении звёзд, на фоне которых они осуществляли транзит. Косвенная природа этих исследований методом микролинзирования не очень подходила для выявления отдельных блуждающих объектов, но всё же удалось доказать, что их общей массы недостаточно, чтобы объяснить феномен тёмной материи.

Первые изображения блуждающих миров появились в 2000-х годах, когда астрономы заметили несколько объектов, всё ещё светящихся в инфракрасном свете, благодаря  остаточному теплу от процесса их формирования. На основе этих наблюдений был установлен один из возможных источников их сосредоточения. В 2010 году астрофизики, в том числе Шон Реймонд из Университета Бордо во Франции, провели моделирование эволюции планетарных систем и обнаружили, что когда одна газовая гигантская планета выбрасывает свою «сестру» из домашней системы, как иногда бывает, то орбита выжившей планеты вытягивается в эллипс. Астрономы видели эти искажённые орбиты, которые группа Реймонда и другие исследователи толковали как следы прошлых межпланетных травм.

Первый значительный каталог блуждающих миров появился не благодаря охотникам за планетами, а исследователям звёзд, ищущим звёздоподобные объекты с ещё меньшей массой, чем у бурых карликов. Нурия Мирет Ройг из Университета Вены и Эрве Буа из Университета Бордо искали самых маленьких из бурых карликов в созвездии Скорпиона, которое является домом для газовой туманности, формирующей множество звёзд и планет. Среди более чем 26 миллионов точек инфракрасного света на 80 000 изображениях они искали слабо светящиеся объекты, перемещающиеся по их полю зрения в наблюдениях, охватывающих 20-летний период. В 2021 году они объявили, что обнаружили около 100 кандидатов с массой от 4 до 13 масс Юпитера — увеличив количество известных блуждающих миров примерно в пять раз.

Благодаря имеющимся данным о блуждающих объектах учёные могли попытаться ответить на основные вопросы о том, откуда взялись эти миры. Одна из возможных теорий заключалась в том, что они сформировались благодаря протопланетному диску, окружающему только что сформировавшуюся звезду, как это делают планеты. А затем случайное столкновение с соседним объектом выбросило их вовне системы, в стиле симуляций Реймонда 2010 года.

Согласно второй теории, они сформировались в одиночестве, когда изолированное облако водорода и гелия стало достаточно плотным, чтобы схлопнуться в шар. Именно так рождаются звёзды, и это сделало бы эти миры менее похожими на планеты и более похожими на самые крошечные бурые карлики в галактике.

Мирет Ройг и Буа пришли к заключению, что среди их кандидатов, вероятно, есть миры, сформировавшиеся обоими способами. Самые лёгкие объекты, скорее всего, представляли собой выброшенные планеты, хотя астрономы обнаружили слишком большое их количество, чтобы легко объяснить их происхождение одной только моделью выброса планет.

«Существует множество блуждающих планет, — пояснила Мирет Ройг, — и, вероятно, они образовались благодаря различным процессам».

Скорее всего у них действительно разное происхождение. Однако исследователи не могут точно сказать, сколько из 100 блуждающих миров являются планетами, а сколько похожи на звёзды.

Три дня спустя после того, как Мирет Ройг и Буа опубликовали результаты своих исследований, JWST был запущен, вместе с новой эрой охоты на блуждающие планеты.

Юпитерианские «близнецы»

Астрономы предполагали, что JWST станет инструментом для обнаружения блуждающих планет. Он находится далеко за пределами создающей помехи атмосферы Земли. Благодаря гигантскому зеркалу он обладает гораздо большей чувствительностью к трудно различимым деталям Вселенной по сравнению с его предшественником — телескопом «Хаббл». Он также улавливает инфракрасный свет, что делает его идеальным инструментом для обнаружения слабо светящихся миров.

Пирсон объединился с астрономом ЕКА Марком Маккафрином, чтобы исследовать блуждающие миры гораздо детальнее, чем это было возможно ранее. Их увлекали процессы звёздообразования и формирования планет, и учёные хотели сосредоточить всё внимание на объектах — таких как бурые карлики — в «хаотической серой зоне» между ними. Там, как сказал Пирсон, можно увидеть слияние обоих миров. В октябре 2022 года Пирсон и Маккафрин направили космический телескоп на центральную звезду в мече, выходящим из пояса Ориона. Они изучали эту область космоса на протяжении 35 часов.

Пирсону потребовалось несколько месяцев, чтобы совместить получившиеся 12 500 изображений туманности Ориона от JWST, пиксель за пикселем. Эта непростая задача осложнялась особой чувствительностью телескопа: многие слабые объекты, обычно используемые в качестве ориентиров, ослепляли сверхчувствительную матрицу JWST.

«Бурые карлики, которые обычно трудно увидеть, ослепляли детекторы, — поделился он. — Это было проблемой, с которой я никогда не сталкивался во время работы ни с одним другим телескопом».

Завершив космическую мозаику, Пирсон был вознаграждён изобилием загадочных миров, которые он искал: в туманности Ориона было обнаружено более 500 блуждающих объектов, обладающих массой всего в несколько раз больше, чем у Юпитера. Но настоящим сюрпризом было то, что, при пристальном изучении, он увидел нечто, изначально не имеющее особого смысла. Некоторые пятна света представляли собой пары объектов массой с Юпитер. Всего он насчитал 42 пары вращающихся Юпитеров — впечатляющее число.

«Подождите, почему все эти тусклые объекты идут парами? — задумался Пирсон. — Тогда до меня дошло, что мы должны изучить всё это очень внимательно».

С теоретической точки зрения эти дуэты казались почти невозможными. Они не могли быть выброшенными планетами — когда одна планета выбрасывает другую из звёздной системы, выброшенная планета почти всегда улетает в одиночестве. Но они также не могли быть звёздами, поскольку многие из них весили столько же, сколько один Юпитер — масса, слишком небольшая для того, чтобы объект мог образоваться непосредственно из сжимающегося облака газа. Команда прозвала свои таинственные дуэты «объектами с двойной массой Юпитера» или JUMBO (Jupiter Mass Binary Objects), и описала их в предварительной версии статьи, опубликованной 2 октября.

JUMBO застали врасплох экспертов и в области формирования звёзд, и в области формирования планет. «Это было непредсказуемо. Нет существующих теорий, где мы бы ожидали обнаружить эти блуждающие планетарные объекты в таком количестве», — сказал Мэтью Бейт, астрофизик из Университета Эксетера, специализирующийся на формировании звёзд.

Ранее астрономы наблюдали, что хотя многие массивные звёзды вращаются в космосе с партнёрами, процент подобных объектов, образующих пары, уменьшается вместе с их массой. «Мы обычно ожидаем, что тенденции будут продолжаться», — пояснила ван дер Марель. Таким образом, по её словам, процент объектов массой примерно в один Юпитер в парах должен стремиться к нулю. Увеличить эту цифру до 10% не было в планах ни у кого из участников наблюдений посредством JWST.

Проблема в том, что по меньшей мере некоторые из JUMBO, вероятно, являются миражами. Чем глубже объект находится в пыльной среде (а туманность Ориона чрезвычайно пыльная), тем сложнее его отличить от далёкой, более массивной звезды за туманностью, особенно, если ожидалось, что у этого объекта есть партнёр. В предыдущих исследованиях от 20% до 80% того, что выглядело как блуждающие миры, оказывалось обычными звёздами. «Нам всем нужно быть немного осторожными», — добавила Мирет Ройг.

Весной Пирсон и Маккафрин снова воспользуются JWST для наблюдения за своей группой блуждающих миров, на этот раз в более богатом спектре цветов. Эти последующие наблюдения помогут подтвердить реальность JUMBO, исследуя следы метана или воды в их атмосферах, характерные для миров массой примерно с Юпитер.

«Как только у нас будут данные для спектрального анализа, — уверил Пирсон, — всё станет совершенно очевидно».

Скоростные симуляции

Но даже без дополнительных данных теоретики уже бросаются создавать теории формирования этих загадочных миров.

Розальба Перна, астрофизик из Университета Стоуни-Брук, услышала о JUMBO в Орионе из новостей, прежде чем прочитала статью Пирсона. Перна и Ихан Ван из Университета Невады в Лас-Вегасе изучали, что происходит, когда звезда пролетает мимо другой звёздной системы. Они в основном сосредоточились на моделировании систем с одной гигантской планетой. Но JUMBO заставили Перну задуматься: а что, если там две гигантские планеты? Она позвонила Вану и попросила его посмотреть, что произойдёт, если он вставит в симуляции второй Юпитер.

Ван настроил свою программу так, чтобы забрасывать цифровыми звёздами бесчисленные двухюпитерные звёздные системы со всех углов. Также он настроил  уведомления, приходящие, если звезда-нарушитель отправит обе планеты вместе в космос, создав JUMBO. Затем он отправил код на вычислительный кластер своего университета и пошёл на обед.

Когда Ван вернулся в свой офис и проверил компьютер, он обнаружил список уведомлений с надписью «образовалась бинарная планета!!!».

После десятков миллиардов симуляций команда выяснила, что выбрасывать пары Юпитеров в открытый космос относительно легко, если планеты оказываются достаточно близкими друг к другу, когда звезда-нарушитель мчится мимо. Это происходило особенно часто для соседей с близкими орбитами (подумайте про Уран и Нептун). В таких случаях до 20 из 100 выбрасываний приводили к появлению JUMBO (остальные 80 приводили к образованию одиночных планет) — более чем достаточно, чтобы объяснить 10 процентов, которые обнаружил Пирсон в Орионе. Но для планет с более далёкими орбитами (представьте Юпитер-Нептун) почти все выбрасывания приводили к появлению одиночных планет.

Получив дополнительные данные от коллеги Вана Жаохуана Чжу, группа работала практически круглосуточно (и в одном случае прямо во время полёта в Европу). Трио изложило свои результаты и опубликовало предварительную версию статьи 9 октября, неделю спустя после обнаружения JUMBO.

«Скорость, с которой они написали это, слегка пугает», — пояснил Пирсон.

Другие астрофизики-теоретики пока не полностью усвоили новые результаты наблюдений, но находят их весьма вероятными — и удивительными. «Я никогда не думал, что создание пары блуждающих планет возможно при выбросе из домашней системы, — сказал Реймонд. — Но потом появилась эта статья».

Тем не менее, некоторые детали теории о звезде-нарушителе потребуют дополнительного изучения. Туманность Ориона — область космоса с множеством близко расположенных звёзд, но достаточно ли там хаотично, чтобы в течение всего нескольких миллионов лет в ней смогли сформироваться и распасться звёздные системы? Кроме того, многие JUMBO Пирсона и Маккафрина вращаются вокруг друг друга на больших расстояниях, они многократно дальше друг от друга, чем Плутон от Земли. Но согласно симуляциям Вана, единственный способ получить такие широко разнесённые JUMBO — взять за основу такие же растянутые звёздные системы, которые астрономы видят довольно редко.

«Благодаря множеству прямых изображений молодых звёзд мы знаем, что очень мало подобных систем имеют гигантские планеты с широкими орбитами, — пояснил Бейт. — Непросто поверить, что в Орионе было много больших планетарных систем, которые можно было бы разрушить».

Изобилие блуждающих миров

На данный момент многие исследователи подозревают, что существует более одного способа формирования этих странных объектов, блуждающих между звёздами. Например, при некоторых допущениях теоретики могли бы доказать, что ударные волны сверхновых могут сжимать более мелкие облака газа и помогать им легче коллапсировать в пары крошечных звёзд, чем ожидалось. И симуляции Вана показали, что выбрасывание гигантских планет парами, по крайней мере в некоторых случаях, теоретически неизбежно.

Хотя всё ещё остаётся много вопросов, множество обнаруженных за последние два года блуждающих миров позволили учёным вывести по меньшей мере две закономерности. Во-первых, они формируются быстро — за миллионы лет, а не миллиарды. В туманности Ориона облака газа сколлапсировали, сформировались планеты, и некоторые, возможно, были даже затянуты в бездну мимо проходящими звёздами — и это за время, пока современные люди всё ещё эволюционировали на Земле.

Шон Реймонд разработал симуляции, которые показывают, как крупные планеты могут выбрасывать своих собратьев в космос, таким образом предоставляя по крайней мере одно потенциальное объяснение блуждающим мирам. Фото: Laurence Honnorat

«Формирование планеты за один миллион лет сложно объяснить с использованием современных моделей, — сказала ван дер Марель. — Это открытие добавит ещё одну деталь в этот пазл».

Во-вторых, в космосе множество блуждающих миров. И тяжёлых газовых гигантов сложнее выбросить из их систем — всё равно что пытаться играть в бильярд шаром для боулинга.  Это наблюдение подразумевает, что для каждого обнаруженного «юпитера» многочисленные блуждающие «нептуны» и «земли» остаются незамеченными.

Вероятно, мы живем в галактике, полной блуждающих миров всех размеров.

Сегодня, почти через полтысячелетия после того, как Галилей поражался множеством огоньков света — спутников, планет и звёзд — на небесах Земли, его наследники знакомятся с самой вершиной айсберга тёмных объектов, блуждающих между ними. Крошечные звёзды, беззвёздные планеты, невидимые астероиды, инопланетные кометы и многое другое.

«Мы знаем, что между звёздами полно всякой всячины, — пояснил Реймонд. — Такие исследования проливают свет на всё это, не только на блуждающие планеты, но и на самые разнообразные блуждающие объекты в целом».

Источник

Якщо ви знайшли помилку, будь ласка, виділіть фрагмент тексту та натисніть Ctrl+Enter.