W naszym Układzie Słonecznym Jowisz niepodzielnie dzierży miano króla planet, będąc punktem odniesienia dla wszystkiego, co nazywamy gazowym olbrzymem. Jednak w odległych zakątkach Drogi Mlecznej astronomowie odnajdują układy planetarne, które rzucają wyzwanie naszemu zrozumieniu procesów powstawania światów. Jednym z najbardziej fascynujących przykładów jest układ HR 8799, położony około 130 lat świetlnych od Ziemi w gwiazdozbiorze Pegaza. To właśnie tam, wokół młodej gwiazdy typu F, krążą cztery kolosalne planety, które swoją masą pięcio-, a nawet dziesięciokrotnie przewyższają Jowisza. Najnowsze badania przeprowadzone przy użyciu Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST) rzucają nowe światło na to, jak te gwiezdne bestie mogły powstać w miejscach, gdzie – według tradycyjnych teorii – nie powinno ich być.
Planety w układzie HR 8799 są wyjątkowe nie tylko ze względu na swoje rozmiary, ale przede wszystkim ze względu na lokalizację. Krążą one w ogromnych odległościach od swojej macierzystej gwiazdy, wynoszących od 15 do nawet 70 jednostek astronomicznych (j.a.). Dla porównania, jedna jednostka astronomiczna to odległość dzieląca Ziemię od Słońca, czyli 150 mln km. Oznacza to, że najdalsze z tych planet znajdują się ponad dwa razy dalej niż Neptun w naszym układzie. To właśnie ta separacja stanowi największą zagadkę dla astronomów. W tak dużej odległości od gwiazdy, w pierwotnym dysku protoplanetarnym materia jest zazwyczaj zbyt rozproszona, aby mogły tam sprawnie formować się tak potężne obiekty.
Dwie drogi do stworzenia planety
W świecie astrofizyki dominują dwie główne teorie powstawania gazowych olbrzymów. Pierwszą z nich jest akrecja jądra (ang. core accretion) – proces oddolny, w którym stałe cząstki pyłu i lodu w dysku protoplanetarnym zderzają się, tworząc coraz większe bryły, aż do powstania masywnego jądra skalistego. Gdy jądro osiągnie masę krytyczną, zaczyna gwałtownie przyciągać okoliczny gaz. To właśnie w ten sposób powstał Jowisz i Saturn. Drugą drogą jest zapadanie grawitacyjne (ang. gravitational collapse) – proces odgórny, przypominający narodziny gwiazd lub brązowych karłów, gdzie gęsty obłok gazu zapada się pod własnym ciężarem. Do tej pory wielu badaczy sądziło, że planety w układzie HR 8799, ze względu na swoją masę i odległość, musiały powstać właśnie poprzez kolaps grawitacyjny.
Chemiczne śledztwo teleskopu Jamesa Webba
Aby rozstrzygnąć ten spór, zespół naukowców wykorzystał bezprecedensową czułość instrumentu NIRSpec zamontowanego na pokładzie JWST. Badacze skupili się na analizie widmowej trzech wewnętrznych planet układu w zakresie fal od 3 do 5 mikronów. Kluczem do zagadki okazała się chemia atmosferyczna, a konkretnie poszukiwanie siarki. Siarka jest pierwiastkiem trudnotopliwym (ogniotrwałym), co oznacza, że w dyskach protoplanetarnych występuje głównie w formie stałych ziaren. Wykrycie znacznych ilości siarki w atmosferze planety sugeruje, że w procesie jej formowania kluczową rolę odegrała akrecja stałego materiału, co jest znakiem rozpoznawczym modelu akrecji jądra.
Wyniki analiz okazały się zaskakujące. Międzynarodowy zespół badawczy, którego pracami kierowali Jean-Baptiste Ruffio z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego oraz Jerry Xuan z UCLA, ogłosił wykrycie siarkowodoru (H₂S) w atmosferach planet HR 8799 c oraz d. Modele atmosferyczne wskazują na podobne wzbogacenie w siarkę u wszystkich trzech badanych globów. „Dzięki wykryciu siarki możemy wywnioskować, że planety HR 8799 prawdopodobnie uformowały się w sposób podobny do Jowisza, mimo że są od niego 5 do 10 razy masywniejsze, co było zupełnie nieoczekiwane” – wyjaśnia Ruffio.
Wyzwanie dla modeli ewolucyjnych
Analiza danych z JWST wykazała, że planety te są jednolicie wzbogacone w ciężkie pierwiastki, takie jak węgiel, tlen i wspomniana siarka, w porównaniu do ich gwiazdy macierzystej. Sugeruje to, że podczas ich wzrostu do atmosfery trafiły ogromne ilości materiału stałego. Jednak tutaj pojawia się kolejny problem: efektywność tego procesu. Przy obecnym stanie wiedzy trudno wyjaśnić, jak tak masywne jądra mogły powstać tak daleko od gwiazdy, zanim dysk gazowy uległ rozproszeniu.
Astronom Michael Meyer z University of Michigan nie kryje zdumienia: „Nie ma możliwości, aby formowanie się planet było aż tak wydajne zgodnie z klasycznymi modelami. To prawdziwa zagadka”. Odkrycie to stawia pod znakiem zapytania nasze dotychczasowe symulacje powstawania układów planetarnych. Jeśli mechanizm akrecji jądra może działać tak sprawnie w ekstremalnych warunkach HR 8799, oznacza to, że nasza wiedza o dynamice dysków protoplanetarnych wciąż wymaga głębokiej rewizji.
Nowa era astrofizyki planetarnej
Badanie układu HR 8799 to technologiczny majstersztyk. Planety te są tysiące razy słabsze od swojej gwiazdy, a ich sygnał ginie w jej blasku. Wykorzystanie JWST pozwoliło jednak na oddzielenie tych słabych sygnałów i stworzenie precyzyjnych modeli atmosferycznych. Po raz pierwszy udało się tak szczegółowo zajrzeć w głąb atmosfer obiektów, które znajdują się na samej granicy między planetami a brązowymi karłami.
Choć badanie opublikowane w prestiżowym periodyku Nature Astronomy dostarczyło odpowiedzi na pytanie o sposób formowania się tych gigantów, otworzyło jednocześnie nowy rozdział pytań. Kolejnym krokiem dla naukowców będzie zbadanie innych układów z masywnymi egzoplanetami, aby sprawdzić, czy HR 8799 jest kosmicznym wyjątkiem, czy może nową normą, której dotąd nie dostrzegaliśmy. Jedno jest pewne: Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba po raz kolejny udowodnił, że wszechświat jest znacznie bardziej skomplikowany i fascynujący, niż śmieliśmy przypuszczać.
Źródło: Nature Astronomy