Планеты, аналогичные тем, что вращаются вокруг нашего Солнца, возникают в процессе наращивания: небольшие фрагменты камня и льда объединяются, постепенно увеличивая свою массу. Однако с ростом массы планеты, объяснить ее формирование таким образом становится все труднее. Для изучения объекта астрономы применили космический телескоп Джеймс Уэбб (NASA 29 Cygni b, с массой, приблизительно в 15 раз большей, чем у Юпитера, и вращающейся вокруг расположенной неподалеку звезды. Полученные данные содержат ряд подтверждений того, что 29 Cygni b действительно сформировался в результате этого восходящего процесса, что дает новое понимание того, как возникли самые массивные планеты.
Общепринято, что планеты формируются внутри обширных газопылевых дисков, вращающихся вокруг звезд, посредством аккреции. Мелкие частицы пыли объединяются, создавая более крупные зерна, которые, сталкиваясь, увеличиваются в размерах, образуя планетезимали, а затем и планеты. Наиболее массивные из них поглощают газ, превращаясь в газовые гиганты, подобные Юпитеру. Поскольку для образования газовых гигантов требуется значительное время, а диск, из которого они формируются, со временем рассеивается, планетные системы обычно содержат больше небольших планет, чем крупных. Звезды же возникают в результате фрагментации огромного газового облака, при этом каждая его часть сжимается под воздействием собственной гравитации, уменьшаясь в объеме и увеличивая плотность. Подобный процесс фрагментации теоретически может происходить и внутри протопланетных дисков. Это могло бы объяснить наличие очень массивных объектов на огромных расстояниях от родительских звезд, в областях, где протопланетный диск должен был быть слишком разреженным для аккреции.
29 Cygni b находится на границе, разделяющей то, что можно объяснить этими двумя различными механизмами. Его масса составляет 15 масс Юпитера, а орбита проходит на среднем расстоянии 2,4 миллиарда километров от звезды, примерно на том же удалении, что и Уран в нашей Солнечной системе. Исследовательская группа выбрала его именно потому, что он потенциально мог возникнуть в результате любого из процессов. Ведущий автор исследования Уильям Балмер из Университета Джонса Хопкинса и Института космического телескопа объяснил, что в компьютерных моделях фрагментация в диске очень легко приводит к гораздо более высоким массам, чем у 29 Cygni b, этот объект обладает наименьшей массой, которая может быть получена в результате фрагментации, и одновременно представляет собой одну из самых больших масс, формируемых путем аккреции.
Для прямой съемки программа наблюдений Балмера задействовала камеру ближнего инфракрасного диапазона (NIRCam) телескопа Уэбба, работающую в коронографическом режиме 29 Cygni b. Эта планета стала первым объектом из четырех, выбранных для исследования в рамках данной программы; все они обладают массой от одной до пятнадцати масс Юпитера. Исследователи ограничились объектами, вращающимися на расстоянии не более 15 миллиардов километров от своих звезд. Все планеты были относительно молодыми и все еще сохраняли тепло, выделяемое при формировании, их температура варьировалась от 530 до 1000 градусов Цельсия. Это необходимо было для того, чтобы химический состав их атмосферы соответствовал планетам системы HR 8799, которую ранее изучал Балмер.
Используя специальные фильтры, исследователи получили возможность искать признаки поглощения света диоксидом углерода (CO2) и угарным газом (CO). Это позволило им установить, какое количество более тяжелых химических элементов, которые астрономы объединяют под общим названием «металлы», присутствует в исследуемом объекте. Были получены весомые доказательства того, что 29 Cygni b обогащен металлами по сравнению с его родительской звездой, которая по своему составу похожа на наше Солнце. Учитывая массу планеты, количество тяжелых элементов, которые она содержит, эквивалентно примерно 150 массам Земли. Это позволяет предположить, что планета аккрецировала большое количество обогащенных металлами твердых тел из протопланетного диска.
Для проверки соответствия орбиты планеты и вращения звезды, команда использовала наземный массив оптических телескопов CHARA. Полученные данные подтвердили это соответствие, которое характерно для объектов, образовавшихся из протопланетного диска. Соавтор исследования, аспирант Университета Джонса Хопкинса Эш Мессье, подчеркнул, что им удалось уточнить параметры орбиты планеты и провести наблюдения за ее звездой, чтобы установить ее ориентацию относительно этой орбиты. Исследователи установили, что наклон планеты демонстрирует тесное соответствие оси вращения звезды, что аналогично тому, что наблюдается у планет нашей Солнечной системы.
Представленные данные в совокупности убедительно подтверждают, что 29 Cygni b сформировался внутри протопланетного диска в результате быстрой аккреции богатого металлами материала, а не в результате фрагментации газа. Иными словами, он сформировался как планета, а не как звезда. По мере того как команда собирает данные о других трех целях своей программы, они планируют искать доказательства различий в составе между планетами с меньшей и большей массой. Это должно дать дополнительное понимание механизмов их формирования.
Исследование в журнале The Astrophysical Journal Letters.