Астрономія
Астрономія

Знайдена наймолодша екзопланета не підійшла сценаріям планетоутворення

Астрономи відшукали наймолодшого суперюпітера віком до двох мільйонів років біля самотньої зорі-карлика М-типу та навіть отримали його пряме зображення. Пара знаходиться у зоряній колисці — молекулярній хмарі Тільця, що вказує на вік системи не більш як 2,5 мільйона років. Зоря масою всього у 0,18 сонячних стала власницею екзопланети масою у 3-4 мас Юпітера, маса і невеликий вік якої не вписується у відомі сценарії планетоутворення. Дослідження прийняли до публікації у Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, а поки доступний його препринт на arXiv.

Пряме зображення зорі 2M0437 з телескопа Субару / Subaru

Пряме зображення зорі 2M0437 з телескопа Субару / Subaru

Кого знайшли астрономи?

Зорю 2M0437 помітили ще 2017 за допомогою телескопів «Спітцер» і «Кеплер», а вже 2018 року за допомогою телескопа Субару, астрономи відшукали три тьмяних об'єкти в її околицях. Це ще гаряча зоря-карлик М-типу, температурою до трьох тисяч кельвінів, яка, з огляду на її положення і рух, належить до молекулярної хмари Тільця. Це найближча до Сонця так звана зоряна колиска, де у молекулярних хмарах народжуються зорі (більше про зоряні колиски ми розповідали у наших картках «Як довго живуть зірки?»). Одне з цих джерел випромінювання, 2M0437b, став кандидатом на супутники — імовірно прив'язаний до зірки та імовірно з масою суперюпітера (від 1 до 13 мас Юпітера).

M-карлики — популярні зорі для дослідження екзопланет, адже завдяки їхнім невеликим розмірам набагато легше отримати більш точні дані спостережень. І деякі планети-гіганти на широких орбітах навколо молодих зірок можна побачити безпосередньо, адже вони самі по собі видають випромінювання і досить яскраві, порівняно з батьківською зіркою, в інфрачервоному діапазоні довжин хвиль. Завдяки цьому можна розширити дослідження екзопланет за межі декількох астрономічних одиниць, вдаючись до методу променевих швидкостей. Прямі спостереження за планетами-гігантами допоможуть перевірити моделі їхнього утворення: наприклад, акреція ядра, чи навпаки, фрагментація диска або термодинамічний «гарячий старт» проти «холодного старту».

А також їхнє дослідження допоможе уточнити склад зіркових протопланетних дисків, із яких планети акреціювали газ. Еволюція планет-гігантів у системах допомагає зрозуміти їхню еволюцію в цілому, адже вони мають значний гравітаційний вплив і потенційно відповідальні за деформацію протопланетних дисків. Наприклад, нещодавно ми розповідали, як прото-Юпітер міг поділити протопланетний диск у минулому Сонця навпіл і створити щілину між внутрішньою і зовнішньою областями Сонячної системи, завдяки чому Земля схожа на Марс більше, ніж деякі астероїди між собою.

2M0437b виділяється серед об'єктів подібної планетної маси з огляду на його молодий вік та близькість до батьківської зірки. Розмір точки на діаграмі масштабується за масою об’єкта, а колір — за  ефективною температурою / E. Gaidos et al.

2M0437b виділяється серед об'єктів подібної планетної маси з огляду на його молодий вік та близькість до батьківської зірки. Розмір точки на діаграмі масштабується за масою об’єкта, а колір — за ефективною температурою / E. Gaidos et al.

Чому ми вирішили, що 2M0437b така молода?

Молекулярна хмара Тільця є досить неоднорідною, але, втім, структурованою, тому астрономи виділяють у ній вісім «молодих груп» зірок віком приблизно у 2-4 мільйони років, а також 14 старших груп зірок віком від 8 до 11 мільйонів років. Зоря 2M0437 за металічністю і світністю потрапила до групи «молодих», а за радіусом у 0,84 сонячних схожа на сильно роздутого червоного карлика М-типу, який готується потрапити на головну послідовність (більше про головну послідовність у житті зірок ми також розповідали у матеріалі «Як довго живуть зірки?»). 2M0437 також виявилася самотньою — на відстані 13 астрономічних одиниць для неї не знайшлося жодного супутника із придатною для горіння дейтерію масою.

Астрономи спостерігали за цією системою близько трьох років, перш ніж встановити, що кандидат в екзопланети рухається разом із зіркою, перебуваючи на широкій орбіті навколо неї. За світністю вчені оцінили його температуру у 1400-1500 кельвінів та масу у 3-4 мас Юпітера. Оскільки це нижче за межу горіння дейтерію, набагато більш імовірно, що 2M0437b, є саме газовою планетою, а не, наприклад, коричневим карликом.

Що з утворенням 2M0437b не так?

Річ у тім, що за існуючими сценаріями планетоутворення, 2M0437b надто молода для того, щоб набрати собі такої маси, або надто масивна, щоб бути настільки молодою. Тільки чотири відомі планети, для яких отримали пряме зображення, мають номінальні маси, порівняні або менші, ніж 2M0437b, і всі вони старші. PDS 70 b і c обертаються навколо зірки віком п'ять мільйонів років у зірковій асоціації Скорпіона-Центавра, 51 Eri b знайшли у зірки віком у 23 мільйони років, а батьківській зірці HD 95086b усі 13 мільйонів років. Причому і самі зірки у цих планет набагато масивніші за ту, що дісталася 2M0437b. Відкриття супер-Юпітера навколо дуже молодої зірки з дуже низькою масою ставить під сумнів моделі формування планет за рахунок акреції ядра (що вимагає часу) або за рахунок нестабільності диска (що вимагає маси).

Однак 2M0437b може бути ще молодшою, ніж припускають астрономи у цій роботі. Вчені вважають, що близько половини всіх маломасивних зірок у молекулярній хмарі Тільця не мають протопланетних дисків, а значить час їхньої повної акреції та розсіювання теж менший — приблизно півмільйона років. І тому спостережувана астрономами маса може говорити про те, що знайдений суперюпітер, якщо він дійсно утворився з диска своєї 2M0437, притягнув на себе більшу частину його маси.

Також раніше ми розповідали про п'ять коричневих карликів, які наблизилися за масою до зірок і все ж вписалися у сценарії свого утворення. А також про перше пряме зображення випромінювання космічних філаментів та шосту знайдену телескопом TESS планету-гіганта біля червоного карлика.