Фотографии экзопланет, полученные телескопом Джемини, помогут пролить свет на самые ранние этапы образования Солнечной системы.

В ноябре 2014 года в Чилийских Андах на высоте 2700 метров над уровнем моря начал работу один из самых современных инструментов для наблюдения далеких планет за пределами Солнечной системы – Gemini Planet Imager (GPI). Он представляет собой систему специальной адаптивной оптики, которая  позволяет получать фотографии экзопланет с недоступным ранее качеством.

Астрономическая обсерватория Джемини, в которую входят два телескопа: Северный на Гавайях и Южный в Чили. Телескопы позволяют получать одни из самых качественных снимков в инфракрасном спектре. Фото: Gemini Observatory

Астрономы до сих пор не могут с точностью установить, какие механизмы приводят к образованию планет – газовых гигантов. Фото: Danielle Futselaar & Franck Marchis, SETI Institute

Яркий свет звезды 51 Eri в центре изображения убирается аппаратными средствами системы GPI, что позволило различить тусклый свет молодой экзопланеты 51 Eri b и определить ее параметры. Фото: J. Rameau (UdeM) and C. Marois (NRC Herzberg)

Сложность задачи заключается в том, что нужно сделать снимок тусклого объекта – планеты на фоне яркой звезды, вокруг которой она вращается. Это примерно как сфотографировать божью коровку, пролетающую в свете фар автомобиля на другом конце континента. Но даже такие трудности оказались преодолимы, и вот на днях группа исследователей опубликовала результаты наблюдения за планетой 51 Eridani b.

Система GPI была разработана для обнаружения газовых гигантов – планет размером с Юпитер. Почему у астрономов такой большой интерес к большим планетам? Конечно, чем больше планета, тем проще ее обнаружить, однако дело тут совсем не в этом. Исследователи пытаются установить механизмы, по которым во вселенной формируются планетные системы. Больше четырех с половиной миллиардов лет назад из огромного молекулярного облака образовалась наша Солнечная система. Считается, что в результате гравитационных возмущений исходное облако разреженного газа, которое может простираться в пространстве на десятки световых лет, начинает сжиматься, формируя плоский диск быстро вращающегося вещества – протопланетный диск. В центре этого диска находится молодая звезда, а вокруг нее из остывающего вещества начинают формироваться планеты. Весь этот процесс занимает от миллиона до десятков миллионов лет. С небольшими планетами, расположенными близко от звезды, вроде нашей Земли, все обстоит достаточно просто, а вот гиганты наподобие Юпитера ставят исследователям большие вопросы. 

Существуют две теории, которые пытаются объяснить образование планет-гигантов. Первая, так называемый «горячий старт», предполагает быстрый рост гиганта в результате аккреции разогретого вещества протопланетного диска. В зависимости от получившегося размера планета может стать газовым гигантом, а если ее масса будет в несколько десятков раз больше массы Юпитера, то даже бурым карликом. Бурый карлик – это небесное тело, занимающее промежуточное положение между планетой и звездой. Его массы недостаточно для поддержания условий термоядерной реакции горения водорода, как, например, на Солнце. Поэтому, даже если на начальном этапе внутри бурого карлика протекают ядерные реакции, они вскоре затухают, а карлик начинает постепенно остывать. Вторая гипотеза – так называемый «холодный старт». Суть процесса  состоит в том, что на начальном этапе формируется твердое скальное ядро будущей планеты. Собственно это и есть механизм образования маленьких планет. Но в случае большой планеты рост не останавливается, и твердое ядро начинает притягивать к себе газообразное вещество из протопланетного диска. В отличие от быстрого «горячего старта», при таком процессе планета получается относительно «холодной» и, как правило, меньшего размера, да и по времени такой рост более продолжительный. Считается, что Юпитер образовался по второй схеме, на что указывает, в том числе, его твердое ядро. Однако точной определенности в этом вопросе пока нет, к тому же процессы формирования планет в Солнечной системе завершились более четырех миллиардов лет назад, что весьма усложняет ответ на вопрос «как же было на самом деле».

Для того чтобы приоткрыть завесу тайны над самым ранним периодом жизни планет, астрономы обсерватории Джемини (Gemini) выбрали 600 наиболее близких к нам звезд для наблюдения с помощью новой камеры GPI. Выбор пал на молодые звезды, вокруг которых процесс формирования планет еще активен или закончился совсем недавно, по космическим меркам, конечно. Одним из таких объектов для наблюдения стала звезда 51 Eridani, находящаяся от нас в 10 световых годах  в созвездии Эридана. Это молодая звезда, появившаяся «всего»  лишь около двадцати миллионов лет назад, а это значит, что и планеты вокруг нее также находятся на самом раннем этапе развития. Спектры инфракрасного излучения, исходящего от планеты, позволили установить некоторые параметры.  Ее масса приблизительно в два раза больше Юпитера, она находится в 13 раз дальше от своей звезды, чем Земля от Солнца, а также в ее атмосфере содержится много метана. Последний факт вместе с низкой температурой, которую исследователи оценили в 400^оС, позволил предположить, что эта планета могла стать результатом именно «холодного старта». Это весьма примечательное наблюдение, потому что большинство обнаруженных ранее экзопланет были как раз горячими.  Пока что еще рано утверждать о том, как именно сформировалась планета  51 Eridani b, однако важно, что уже сейчас астрономы начали не просто фиксировать новые найденные экзопланеты, но и получать уникальные данные об их строении и свойствах. Исследования большого числа планетарных систем  позволит понять, насколько наша Солнечная система, как и планета Земля, уникальны на просторах вселенной.

По материалам UC Berkeley