Открыта самая молодая планета в истории наблюдений: она слишком массивна для своего возраста

Астрономы подтвердили существование крупной планеты у звезды Elias 2-24, чей возраст не превышает одного миллиона лет. Планета находится на очень широкой орбите — в 55 раз дальше от своей звезды, чем Земля от Солнца.

Это открытие имеет принципиальное значение для астрофизики. Согласно общепринятым представлениям, формирование планет таких масштабов и на таком удалении требует значительно большего времени. Наблюдения показывают, что крупный газовый гигант способен сформироваться почти одновременно со своей звездой.

В чем заключается научная проблема

Чтобы понять важность этого результата, необходимо обратиться к механизму появления планет.

Звезды образуются внутри холодных и плотных облаков межзвездного газа и пыли. Когда гравитация сжимает центральную часть такого облака, рождается звезда, а остатки вещества начинают вращаться вокруг нее, формируя плоский протопланетный диск. Именно из этого газопылевого диска впоследствии собираются планеты.

Существуют два фундаментальных пути образования газовых гигантов:

1. Гравитационная нестабильность. В этом случае массивный диск вокруг молодой звезды быстро остывает, в нем возникают плотные сгустки газа, которые схлопываются под действием собственной силы тяжести. Этот процесс занимает всего несколько тысяч лет. Однако при таком сценарии диск всегда становится неоднородным: в нем появляются крупные спиральные структуры и множественные зоны распада вещества.
2. Аккреция на твердое ядро. Это ступенчатый и более последовательный процесс. Сначала микроскопические частицы пыли в диске сталкиваются между собой и соединяются, образуя твердые тела все большего размера — от сантиметровых камней до тел поперечником в сотни километров. Постепенно они собираются в каменисто-ледяной зародыш планеты массой примерно в десять раз больше массы Земли. Как только ядро набирает эту критическую массу, его гравитация становится достаточно сильной, чтобы быстро притягивать к себе водород и гелий из окружающего диска. Планета обрастает толстой газовой оболочкой и становится гигантом.

Классическая теория аккреции на ядро хорошо описывает планеты Солнечной системы, но у нее есть жесткое физическое ограничение: фактор времени.

Чем дальше от звезды находится орбита, тем слабее гравитационное притяжение светила и тем медленнее движется по орбите вещество. Если Земля делает полный оборот вокруг Солнца за один год, то на расстоянии в 55 астрономических единиц один орбитальный период занимает около четырехсот лет.

Кроме того, вещество во внешних областях диска распределено значительно более разреженно, чем вблизи центра. Частицы пыли сталкиваются между собой редко. Расчеты показывают, что на сборку плотного десятиядерного зародыша на таком удалении от звезды требуется от трех до десяти миллионов лет.

Однако звезде Elias 2-24 меньше одного миллиона лет. Некоторые оценки дают еще меньший возраст — около трехсот тысяч лет. По стандартным теоретическим моделям на столь далекой орбите в этот момент могли существовать лишь разрозненные скопления мелких камней, но никак не готовый газовый гигант.

Первый след: пустота в пылевом диске

Система Elias 2-24 удалена от нас примерно на 450 световых лет и находится в области звездообразования в созвездии Змееносца. Это молодая звезда типа Т Тельца, которая еще не завершила процесс гравитационного сжатия. Она окружена исключительно массивным и ярким диском из газа и пыли.

В 2017 и 2018 годах система исследовалась радиотелескопом ALMA в Чили. Этот комплекс радиотелескопов улавливает излучение холодного вещества миллиметрового размера. Полученные изображения показали, что диск Elias 2-24 не сплошной.

На расстоянии 55 астрономических единиц от звезды в диске наблюдалась четко очерченная кольцевая брешь — полоса шириной около 30 астрономических единиц, где практически не было миллиметровой пыли. Сразу за внешней границей этой пустоты находилось яркое и плотное кольцо, где пыль, напротив, концентрировалась в больших количествах.

Такая геометрия диска стала веским аргументом в пользу присутствия формирующейся планеты:

• Двигаясь по своей орбите, массивное тело гравитационно воздействует на мелкие частицы и расталкивает их в стороны, освобождая себе чистую дорожку.
• Одновременно с этим гравитация планеты меняет распределение давления в газе диска. На внешнем крае пробитой бреши возникает зона повышенного давления, которая работает как аэродинамический барьер: миллиметровые частицы пыли теряют скорость и задерживаются там, формируя яркое кольцо.

Главное, на что обратили внимание исследователи: протопланетный диск Elias 2-24 был круглым, гладким и симметричным. В нем не наблюдалось хаотичных спиралей или следов распада на бесформенные облака. Это означало, что быстрый механизм гравитационной нестабильности здесь маловероятен. Система формировалась путем аккреции на ядро. Но саму планету в радиотелескоп увидеть было невозможно — требовалось оптическое наблюдение.

Наблюдения на пределе возможностей оптики

Увидеть планету рядом с ее звездой чрезвычайно сложно, поскольку свет родительского светила ярче излучения планеты в десятки и сотни тысяч раз. Планета просто теряется в ослепительном сиянии.

Чтобы обойти эту проблему, исследователи использовали десятиметровый оптический телескоп Keck II на Гавайях, оборудованный системой адаптивной оптики и специальным вихревым коронографом NIRC2.

Работа проводилась следующим образом:

1. Использование коронографа. Внутри прибора свет от центральной звезды перехватывается оптической маской специальной конструкции. Она гасит прямой свет звезды, оставляя доступным для регистрации окружающее пространство.
2. Выбор инфракрасного диапазона. Наблюдения проводились на длине волны 3,78 микрометра (инфракрасный диапазон L'). В этой части спектра разница в яркости между холодной звездой и горячей формирующейся планетой минимальна. Молодые планеты нагреты собственным формированием и светятся в инфракрасных лучах значительно сильнее, чем в видимом свете.
3. Математическая обработка изображений. Земная атмосфера искажает проходящий свет, создавая в оптической системе паразитные блики и световые пятна (спеклы), которые внешне неотличимы от планет. Чтобы отделить реальный космический объект от аппаратного шума, телескоп вел съемку с вращением поля зрения. По мере того как небо поворачивалось, свет звезды оставался неподвижным относительно инструмента, а планета плавно смещалась по кадру. Затем алгоритмы на основе метода главных компонент вычли стабильный световой шум звезды, обнажив слабые сигналы.

В результате обработки данных астрономы зафиксировали точечный источник света на расстоянии 394 миллисекунд дуги от центра звезды. При пересчете на реальное расстояние в пространстве это составило 54,9 астрономической единицы.

Положение источника с высокой точностью совпало с центром темной полосы, обнаруженной ранее радиотелескопом ALMA.

Доказательство подлинности: исключение случайного совпадения

В наблюдательной астрономии точечный сигнал может оказаться далекой фоновой звездой, которая находится на расстоянии тысяч световых лет от нас, но случайно проецируется на ту же точку неба.

Чтобы доказать, что обнаруженный объект гравитационно связан с системой Elias 2-24, авторы объединили наблюдения двух разных эпох — 2018 и 2020 годов.

Все звезды обладают собственным движением: они медленно перемещаются по небесной сфере относительно далеких фоновых галактик. Звезда Elias 2-24 также меняет свое положение со временем.

Если бы обнаруженный источник света был случайной далекой звездой, за два года наблюдений расстояние между ней и перемещающейся звездой Elias 2-24 заметно изменилось бы. Однако взаимное расположение объектов сохранилось неизменным. Расчет показал, что гипотеза о неподвижном фоновом объекте опровергается с высоким уровнем математической строгости (достоверность 3,2 сигма).

Кроме того, ученые применили модель распределения звезд в нашей Галактике (модель Безансона) и рассчитали вероятность того, что в поле зрения телескопа случайно окажется посторонняя звезда с аналогичными параметрами движения и яркости. Эта вероятность составила всего 0,015% (статистическая значимость 3,6 сигма).

Таким образом, было окончательно доказано: обнаруженная точка света — это физический спутник молодой звезды, получивший обозначение Elias 2-24 b.

Противоречие между массой и яркостью

Когда факт существования планеты подтвердился, ученые столкнулись со вторым парадоксом — несоответствием массы объекта и количества излучаемого им тепла.

Определить массу экзопланеты можно двумя принципиально разными путями: через анализ диска и через оптическую яркость. В случае с Elias 2-24 b эти методы дали противоречивые результаты.

Первый метод: гидродинамическое влияние на диск. Планета вырезает щель в газе диска исключительно силой своей тяжести. Чем массивнее планета, тем шире и глубже будет брешь, и тем сильнее исказится форма окружающих колец. Численное моделирование движения газа и пыли показало: чтобы поддерживать наблюдаемую полосу шириной в 30 астрономических единиц и не разрушить внутреннюю часть диска, масса планеты должна находиться в диапазоне от 0,41 до 1,72 массы Юпитера. Если бы планета была массивнее, брешь была бы значительно шире, а кольцо пыли было бы разорвано.

Второй метод: фотометрическая светимость. Планета четко видна в инфракрасном диапазоне, ее абсолютная звездная величина составляет 10,08. Согласно стандартным моделям остывания планет, которые предполагают, что планета просто медленно излучает накопленное при рождении тепло, для поддержания такой яркости в возрасте до миллиона лет требуется масса от 1,9 до 4,0 массы Юпитера (для горячих моделей образования) или более 13 масс Юпитера (для холодных моделей).

Возникло явное физическое несоответствие: по законам оптики планета выглядела тяжелым телом, а по законам гравитации и динамики диска она была относительно легкой.

Источник энергии: планета в момент роста

Причина расхождения заключается в том, что стандартные модели эволюции экзопланет рассчитывают светимость для уже сформировавшихся, изолированных тел, которые закончили поглощение вещества и лишь медленно остывают в космосе.

Но Elias 2-24 b находится в совершенно ином состоянии. Наблюдения показывают, что система застигнута на этапе активного роста газовой оболочки.

Планета окружена собственным миниатюрным околопланетным диском и продолжает с высокой скоростью притягивать водород и гелий из основного протопланетного диска звезды. Скорость падения массы оценивается примерно в одну миллионную долю массы Юпитера в год.

Когда падающий из межзвездного диска газ на огромной скорости врезается в формирующуюся атмосферу планеты, возникает мощный гидродинамический удар. Кинетическая энергия движения падающего вещества мгновенно преобразуется в тепловую энергию. Газ разогревается до температур в диапазоне от 1300 до 1600 кельвинов и начинает ярко светиться в инфракрасном спектре.

Следовательно, высокая яркость Elias 2-24 b обеспечивается не большой массой самого ядра, а непрерывным выделением тепла при падении свежего газа. С учетом этого фактора истинная масса планеты действительно укладывается в диапазон 1-2 масс Юпитера, что полностью снимает противоречие с гидродинамикой диска.

Пересмотр временных рамок формирования планет

До сих пор главным примером формирующихся гигантов считалась звездная система PDS 70, где ранее также напрямую сфотографировали две растущие экзопланеты. Но возраст системы PDS 70 оценивается примерно в 5,4 миллиона лет. К этому времени диск звезды уже наполовину истощился, а сами планеты в основном закончили процесс набора массы.

Elias 2-24 b демонстрирует совсем другую эпоху: системе менее одного миллиона лет. Это официально самая молодая планета, когда-либо зарегистрированная методом прямого оптического наблюдения.

Этот факт меняет теоретический фундамент науки о планетообразовании:

1. Скорость аккреции. Доказано, что образование газовых гигантов на широких орбитах методом аккреции на ядро может происходить за сотни тысяч лет, а не за миллионы, как считалось ранее.
2. Природа кольцевых дисков. За последние годы радиотелескопы обнаружили узкие кольца и пустые темные полосы в десятках молодых протопланетных дисков по всей Галактике. Долгое время оставалось спорным, вызваны ли эти щели реальными телами или же это побочные физико-химические эффекты — например, конденсация молекул в лед или поведение магнитных полей. Открытие в системе Elias 2-24 доказывает: кольцевые каналы возникают из-за гравитации формирующихся планет, и этот процесс начинается на самых ранних этапах жизни звезды.

За два года между наблюдениями 2018 и 2020 годов планета Elias 2-24 b сместилась по своей 400-летней орбите примерно на 1,5 градуса, что пока лежит на грани точности телескопов. Однако расчетное смещение к 2026 году составит уже более 6 градусов.

Новые наблюдения с помощью спектрографов Очень большого телескопа (VLT) в Чили и космического телескопа «Джеймс Уэбб» позволят надежно зафиксировать ее орбитальное движение, а также определить точный химический состав и температуру раскаленных внешних слоев атмосферы этого космического новорожденного.

Источник: The Astrophysical Journal Letters