Насколько большой может быть планета: почему самые крупные экзопланеты сложно отличить от звезд и как в этом помог сероводород

В астрофизике вопрос классификации небесных тел часто упирается в массу. Если объект обладает массой менее 13 масс Юпитера, его принято считать планетой. Если масса выше этого порога, в недрах объекта начинаются термоядерные реакции с участием дейтерия, и он переходит в категорию коричневых карликов — объектов, занимающих промежуточное положение между планетами и самыми легкими звездами. Однако этот количественный критерий не дает ответа на более важный вопрос: как именно сформировалось это тело? Исследование системы HR 8799, проведенное с помощью космического телескопа «Джеймс Уэбб» и опубликованное в январе 2026 года, показывает, что истинная природа гигантских объектов определяется их химической историей, а не только физическими параметрами.

Система HR 8799, расположенная на расстоянии около 133 световых лет от Земли, уникальна тем, что в ней обнаружены сразу четыре гигантские планеты на очень широких орбитах — от 15 до 70 астрономических единиц от родительской звезды. Массы этих планет находятся в диапазоне от 5 до 10 масс Юпитера, что вплотную приближает их к теоретической границе коричневых карликов. Долгое время астрономы не могли прийти к единому мнению о том, как такие массивные объекты могли образоваться настолько далеко от центра системы, где плотность материи в молодом газопылевом диске должна быть минимальной. Новые данные спектрального анализа позволяют ответить на этот вопрос.

Проблема формирования на периферии системы

Согласно классическим моделям, газовые гиганты могут рождаться двумя принципиально разными способами.

Первый — это аккреция ядра. В этом сценарии в протопланетном диске сначала собирается твердый зародыш из камня и льда. Когда он набирает достаточную массу, его гравитация становится способной удерживать окружающий газ.

Второй способ — гравитационная неустойчивость, при которой обширный фрагмент газового облака быстро коллапсирует под действием собственной тяжести, минуя стадию формирования твердого ядра.

На расстоянии 70 астрономических единиц плотность вещества в молодом диске обычно слишком низка для постепенного формирования массивных твердых ядер. Это заставляло многих исследователей предполагать, что планеты HR 8799 образовались путем быстрого газового коллапса, что делало бы их скорее миниатюрными подобиями звезд, чем планетами в строгом смысле слова. Однако при газовом коллапсе химический состав планеты должен быть почти идентичен составу звезды. Если же планета формировалась путем накопления твердого вещества, ее атмосфера должна быть значительно загрязнена тяжелыми элементами, которые содержались в захваченных твердых обломках.

Химические индикаторы: возможности инструмента NIRSpec

Для изучения состава атмосфер трех внутренних планет системы (HR 8799 c, d и e) ученые использовали инструмент NIRSpec в режиме интегрального поля. Основная сложность заключалась в том, что свет звезды в сотни тысяч раз ярче света планет. Инженерам и астрономам пришлось применить сложные алгоритмы фильтрации и моделирования звездного гало, чтобы выделить чистый сигнал от атмосфер газовых гигантов. Спектральный анализ в диапазоне от 3 до 5 микрометров выявил присутствие целого ряда ключевых молекул: воды (H2O), угарного газа (CO), метана (CH4), углекислого газа (CO2) и сероводорода (H2S).

Именно обнаружение соединений серы стало решающим фактором в определении природы этих объектов. В условиях низких температур, характерных для окраин планетных систем, сера относится к числу рефракторных (тугоплавких) элементов. Это означает, что в холодном протопланетном диске она находится преимущественно в твердом состоянии — в составе пыли и ледяных зерен. Она не может быть захвачена планетой просто вместе с окружающим газом в больших количествах.

Данные «Джеймса Уэбба» показали, что атмосферы всех трех изученных планет системы чрезвычайно богаты тяжелыми элементами. Концентрация углерода, кислорода и серы в них в несколько раз превышает аналогичные показатели родительской звезды. Это прямое доказательство того, что планеты в процессе своего роста интенсивно поглощали твердую материю.

Физика обогащения тяжелыми элементами

Анализ показал, что уровень обогащения металлами (в астрофизике к металлам относят все элементы тяжелее гелия) в этой системе очень равномерен. Это свидетельствует о высокой эффективности процессов захвата твердых тел. Каждая из планет в ходе своей эволюции ассимилировала колоссальные массы твердого вещества — по оценкам авторов исследования, общая масса тяжелых элементов, накопленных в их газовых оболочках, исчисляется сотнями масс Земли.

Такое высокое содержание тяжелых элементов невозможно объяснить в рамках модели прямого газового коллапса. Оно прямо указывает на то, что формирование этих тел началось с аккреции твердого вещества и сопровождалось мощной бомбардировкой планетезималями. Даже на огромном удалении от звезды механизм постепенного захвата твердых фрагментов работал крайне эффективно, что заставляет пересмотреть наши взгляды на динамику вещества в молодых звездных системах.

Кроме того, ученым удалось измерить изотопные соотношения углерода (12C к 13C) и кислорода (16O к 18O). Эти тонкие химические маркеры оказались близки к значениям, характерным для межзвездной среды и планет Солнечной системы. Это подтверждает, что вещество, из которого построены планеты HR 8799, не претерпело специфических превращений внутри звездных недр, а было захвачено напрямую из диска, сохранив свой первозданный состав.

Универсальность планетарных процессов

Одним из главных результатов исследования стало доказательство того, что газовые гиганты в других системах по своей структуре и истории развития очень похожи на гигантов нашей Солнечной системы. Юпитер и Сатурн также характеризуются повышенным содержанием тяжелых элементов по сравнению с Солнцем. До недавнего времени было непонятно, является ли это универсальной нормой или уникальной особенностью нашей планетной семьи.

Данные по системе HR 8799 демонстрируют, что высокий уровень химического обогащения — это стандартная черта формирования крупных планет. Процессы, приводящие к накоплению углерода и серы в атмосферах, действуют одинаково эффективно как на расстоянии 5 астрономических единиц (как у Юпитера), так и на расстоянии 70 астрономических единиц от звезды. Это означает, что физические механизмы планетообразования масштабируемы и не зависят критически от удаления от центрального светила, если в диске присутствует достаточное количество твердого материала.

Где проходит граница между планетой и звездой?

Исследование предлагает новый взгляд на проблему классификации объектов в «серой зоне» масс. Если мы видим тело массой в 10 раз больше Юпитера, мы больше не можем полагаться только на его вес, чтобы определить его статус. Химический состав атмосферы служит своеобразным архивом процесса формирования.

Если объект сформировался через постепенное накопление твердого вещества и последующий захват газа, что отразилось в обогащении его атмосферы тяжелыми элементами, — перед нами планета. Если же объект аналогичной массы возник в результате быстрого сжатия газового облака и имеет чистый звездный химический состав без избытка металлов — это коричневый карлик.

Заключение и выводы

Работа телескопа «Джеймс Уэбб» в системе HR 8799 позволила сформулировать три вывода для современной науки:

1. Происхождение гигантов: планеты системы HR 8799 сформировались путем аккреции твердого вещества, а не прямого газового коллапса. Это подтверждается аномально высоким содержанием серы и углерода в их газовых оболочках.
2. Динамика дисков: даже в разреженных внешних областях протопланетных дисков процесс захвата твердых тел протекает крайне интенсивно. Планеты способны аккумулировать массу металлов, в сотни раз превышающую массу всей Земли.
3. Единство законов: принципы построения газовых гигантов в космосе универсальны. Химическое сходство HR 8799 и Юпитера говорит о том, что формирование планет — это строго детерминированный процесс, подчиняющийся одним и тем же законам вне зависимости от масштабов системы.

Теперь статус планеты определяется не тем, сколько она весит на космических весах, а тем, каким путем она прошла стадию своего рождения.

Источник: arXiv