Ми думаємо про планети як про обмежених за своєю природою дітей материнських зірок. Однак космос — дивна і мінлива річ; об’єкти не завжди дотримуються правил, які, на нашу думку, вони повинні виконувати. Використовуючи JWST, астрономи зловили шість об’єктів-ізгоїв, розміром з планету, які, не прив’язані до жодної зірки, вільно мандрують міжзоряним простором у розкішному середовищі зореутворюючої туманності в сузір’ї Персея.
«Ми досліджуємо самі межі процесу зореутворення, — каже астрофізик Адам Лангевельд з Університету Джона Гопкінса.
«Якщо у вас є об’єкт, схожий на молодий Юпітер, чи можливо, що він міг би стати зіркою за правильних умов? Це важливий контекст для розуміння формування як зірок, так і планет».
Існує кілька способів створення космічних об’єктів. Вважається, що зірки формуються зверху вниз: згусток у досить щільній хмарі пилу і газу руйнується під дією гравітації і накопичує все більше і більше маси з диска матеріалу, який обертається навколо нього, поки тиск і тепло в його центрі не стануть достатньо високими, щоб запалити термоядерний синтез водню.
Вважається, що принаймні деякі планети формуються в результаті висхідного процесу, з матеріалу, що залишився в диску, коли зоря закінчує формуватися. За цим сценарієм, згустки матеріалу починають злипатися спочатку електростатично, потім гравітаційно, і врешті-решт накопичують достатньо матеріалу, щоб сформувати диференційоване ядро і мантію.
Незрозуміло, де пролягає межа між цими механізмами формування. І саме це питання змусило дослідників направити JWST на туманність під назвою NGC 1333 в Персеї — область, заповнену скупченнями молодих зірок, щойно сформованих з газу всередині.
«Ми використали безпрецедентну чутливість Вебба в інфрачервоному діапазоні довжин хвиль для пошуку найслабших членів молодого зоряного скупчення, прагнучи вирішити фундаментальне питання в астрономії: наскільки легкий об’єкт може сформуватися як зірка?», — говорить астрофізик Рей Джаявардхана з Університету Джона Гопкінса.
«Виявляється, що найменші вільно плаваючі об’єкти, які формуються як зірки, перекривають за масою гігантські екзопланети, що обертаються навколо сусідніх зірок».
За оцінками астрономів, у Чумацькому Шляху можуть існувати мільярди планет-ізгоїв, що дрейфують. Значна частина з них утворилася б у звичайний спосіб, із залишків їжі, з’їденої молодою зіркою; бурхливі гравітаційні взаємодії могли б звільнити ці світи від їхніх зоряних причалів і відправити їх у беззоряні пригоди (або захопити в пастку гравітації чужої зорі).
Але можливо, що деякі планети-ізгої починають свій розвиток так само, як і зірки. Ми знаємо про популяцію об’єктів, які формуються подібно до зірок, але не мають достатньої маси для термоядерного синтезу водню; це коричневі карлики, маса яких приблизно в 13-85 разів більша за масу Юпітера. Ці об’єкти достатньо масивні, щоб підтримувати синтез дейтерію — форми важкого водню, синтез якого потребує нижчого тиску і температури. Вони світяться, але тьмяно.
Моделювання показує, що верхня межа маси для формування планети знизу вгору, шляхом акреції ядра, становить менше 10 Юпітерів. Крім того, населення NGC 1333 молоде, і така акреція займе трохи часу — як і гравітаційна взаємодія, яка виведе їх у велику, широку галактику.
Отже, коли JWST помітив шість об’єктів, маса яких у п’ять-десять разів перевищувала масу Юпітера, Лангевельд і його команда подумали, що вони, мабуть, утворилися внаслідок гравітаційного колапсу. Це підтвердилося, коли вони виявили диски навколо кожного з відносно крихітних об’єктів, схожі на дитячі зірки в мініатюрі.
«Наші спостереження підтверджують, що природа створює об’єкти планетарної маси щонайменше двома різними способами — зі стиснення хмари газу і пилу, як формуються зірки, і в дисках газу і пилу навколо молодих зірок, як це зробив Юпітер у нашій власній Сонячній системі», — говорить Джаявардхана.
Цікаво, що хоча JWST досить чутливий, щоб виявляти навіть менші об’єкти, дослідники не виявили жодного шахрайського світу розміром менше п’яти Юпітерів. Це говорить про те, що це гранична точка. Нижче цієї маси планети, імовірно, мають утворитися за допомогою акреції ядра.
Висновки команди свідчать про те, що таких об’єктів дуже багато, вони становлять до 10 відсотків усіх об’єктів у досліджуваному ними кластері. Відкриття цих світів відкриває захоплюючі можливості, розмиваючи межу між зіркою та її планетами, а також планетою та її супутниками.
«Ці крихітні об’єкти з масами, порівнянними з масами планет-гігантів, можуть самі утворювати власні планети, — каже астрофізик Алекс Шольц з Університету Сент-Ендрюса у Великій Британії. «Це може бути розплідником мініатюрної планетної системи, в масштабах набагато менших, ніж наша Сонячна система». Дослідження було опубліковане в The Astronomical Journal і доступне на arXiv.