Jupiteris dažnai vadinamas mūsų Saulės sistemos planetų karaliumi. Vis dėlto kitose Galaktikos žvaigždžių sistemose aplink savo žvaigždes, nutolusios per milijardus kilometrų, skrieja dar didesnės planetos. Jos susidaro regionuose, kuriuose tradicinėms planetų formavimosi teorijoms sunku įtikinamai paaiškinti jų kilmę.
Naujame tyrime mokslininkai nagrinėjo tris masyvius dujinius milžinus, esančius maždaug už 130 šviesmečių nuo Žemės. Analizuodami jų atmosferų cheminę sudėtį, tyrėjai siekė geriau suprasti, kaip gali susiformuoti tokios didžiulės planetos.
Aplink F tipo žvaigždę HR 8799 Pegaso žvaigždyne žinomos keturios dujinės milžinės. Visos jos įspūdingo dydžio – jų masė siekia maždaug 5–10 Jupiterio masių.
Pasitelkę vidutinės skiriamosios gebos spektrus, gautus Jameso Webbo kosminio teleskopo (JWST) NIRSpec instrumentu, mokslininkai detaliai ištyrė trijų vidinių šios sistemos planetų atmosferas 3–5 mikrometrų bangos ilgių ruože.
Planetų formavimasis dažniausiai aiškinamas branduolio akrecijos modeliu. Tai „iš apačios į viršų“ vykstantis procesas, kai protoplanetiniame diske kietoji medžiaga palaipsniui telkiasi: dalelės susiduria, sulimpa ir ilgainiui suformuoja augantį planetos branduolį. Kai branduolys pasiekia pakankamą masę, jis ima intensyviai traukti aplinkines dujas ir gali virsti dujine milžine.
Tokiu scenarijumi aiškinama Jupiterio ir Saturno kilmė. Tačiau lieka atviras klausimas, ar tas pats mechanizmas gali veikti tokiose sistemose kaip HR 8799, kur dar masyvesnės planetos skrieja gerokai didesniais atstumais nuo savo žvaigždės.
Šių planetų orbitų nuotoliai siekia maždaug 15–70 astronominių vienetų (apie 2–10 milijardų kilometrų). Kitaip tariant, jos yra 15–70 kartų toliau nuo savo žvaigždės nei Žemė nuo Saulės.
Tokiuose atstumuose dalis ekspertų abejoja, ar masyvios ir taip toli esančios planetos apskritai gali susidaryti branduolio akrecijos būdu. Manoma, kad toliau nuo žvaigždės akrecija vyksta gerokai lėčiau, todėl gali nepakakti laiko, kol protoplanetinis diskas išsisklaidys ir planeta spės sukaupti pakankamai medžiagos. Vienas iš galimų paaiškinimų – prielaida, kad tokie pasauliai gimsta dėl gravitacinio kolapso, panašiai kaip rudieji nykštukai.
Dujinės milžinės savo mase gali artėti prie rudųjų nykštukių masių intervalo. Rudieji nykštukai – tai objektai, kurie trumpą laiką gali skleisti energiją vykstant deuterio sintezei, tačiau ilgalaikei vandenilio sintezei jiems pritrūksta masės. Vis dėlto mokslininkai mano, kad šios dvi objektų klasės formuojasi iš esmės skirtingais keliais.
Rudieji nykštukai formuojasi panašiai kaip žvaigždės: iš viršaus žemyn, gravitaciškai kolapsuojant dujų ir dulkių debesims. Tuo tarpu planetos, pagal klasikinį aiškinimą, dažniau susiformuoja protoplanetiniame diske, kaupdamos kietąją medžiagą ir tik vėliau – dujas.
Siekdami patikrinti, kuris scenarijus labiau tikėtinas HR 8799 sistemoje, tyrėjai panaudojo JWST duomenis ir ieškojo sieros – ugniai atsparaus elemento, kuris protoplanetiniuose diskuose dažnai būna „užrakintas“ kietose dulkių ir ledo dalelėse. Jei sieros aptinkama planetos atmosferoje, tai gali reikšti, kad planetos formavimosi metu buvo akrecijuota daug kietos medžiagos.
Vienas iš tyrimo autorių Jeanas-Baptiste’as Ruffio iš Kalifornijos universiteto San Diege pabrėžia, kad dėl precedento neturinčio jautrumo JWST leidžia itin detaliai tirti tokių planetų atmosferas ir suteikia svarbių užuominų apie jų formavimosi kelią.
Mokslininkai aptiko tvirtų vandenilio sulfido (H2S) požymių HR 8799 c ir HR 8799 d planetų atmosferose, o sukurti atmosferų modeliai rodo panašų sieros praturtėjimo lygį visose trijose vidinėse sistemos planetose.
Ruffio teigimu, sieros aptikimas leidžia daryti išvadą, kad HR 8799 planetos greičiausiai formavosi panašiai kaip Jupiteris, nors jų masė yra 5–10 kartų didesnė. Tokia išvada tyrėjams buvo netikėta.
Nors šios planetos yra tūkstančius kartų blankesnės už savo žvaigždę, JWST jautrumas leido atskirti itin silpnus planetų signalus nuo akinamos žvaigždės šviesos. Tam tyrėjai sukūrė sudėtingus atmosferų modelius ir juos nuosekliai tikslino, lygindami su gautais spektriniais duomenimis.
Kitas tyrimo bendraautoris, astronomas Jerry Xuanas iš Kalifornijos universiteto Los Andžele, pažymi, kad galiausiai šiose planetose aptikta kelios molekulės, kai kurios – pirmą kartą, įskaitant vandenilio sulfidą.
Taip pat paaiškėjo, kad visos tirtos planetos yra tolygiai praturtintos sunkiaisiais elementais – anglimi, deguonimi ir siera – palyginti su savo žvaigžde. Tai rodo, jog formavimosi metu į jų sudėtį turėjo būti įtraukta milžiniški kietos medžiagos kiekiai.
Vis dėlto, anot tyrėjų, tokį sunkiųjų elementų kiekį suderinti su klasikiniais planetų formavimosi modeliais yra sudėtinga. Mičigano universiteto astronomas Michaelas Meyeris pažymi, kad pagal teoriją planetų formavimasis neturėtų būti toks efektyvus.
Nors mokslininkams dar reikės ištirti ir kitas sistemas, šiuo metu atrodo, kad toks veiksmingas trijų milžiniškų HR 8799 sistemos planetų susidarymas kelia itin sudėtingų klausimų.
„Tai tikra mįslė. Iš esmės liekame akistatoje su paslaptimi“, – pripažįsta Meyeris.
