Фомальгаут є однією з 20 найяскравіших зірок на нічному небі, яка розташована лише за 25 світлових років від нас, й приваблює астрономів з давніх часів. З появою космічного телескопа Хаббла було видно, що навколо неї є пиловий диск з деяким ущільненням: можливою екзопланетою. Коли JWST сфотографував її, в тому числі за допомогою свого вражаючого інструменту середнього інфрачервоного діапазону (MIRI), було виявлено щось, набагато цікавіше, ніж будь-хто сподівався.

Не кожна зірка на нічному небі схожа на наше Сонце. Деякі мають планети; інші надто бідні важкими елементами, щоб їх створити. Близько половини зірок – одинокі, як наше Сонце. Але інша частина знаходиться в багатозіркових системах, й мають два, три й більше компаньйонів. Деякі тьмяні та мають малу масу, інші яскраві та досить важкі. Масивні зорі мають синіший колір, та коротший час життя. Деяким, відносно старим, вже кілька мільярдів років, як нашому Сонцю. Але інші достатньо молоді, щоб навколо них все ще існували протопланетні диски.

З усіх зірок, видимих із Землі, найяскравіший протопланетний диск у 18-тої найяскравішої зірки на нічному небі, Фомальгаута. На знімках зроблених телескопом Хаббла було видно, що навколо неї знаходиться не просто кільце якогось матеріалу, а ще й пряме зображення кандидата в екзопланету: гігантський, схожий на Юпітер світ, більш ніж у п’ять разів дальший від своєї батьківської зірки, ніж Нептун від Сонця. І от, з щойно опублікованих досліджень космічного телескопом Джеймса Вебба (JWST) системи Фомальгаута, стало зрозуміло, що картина трохи інша, але й набагато цікавіша.

Уявіть собі, що ви дивитеся на найяскравіші зірки в нічному небі, і вперше усвідомлюєте, що деякі з них настільки молоді, що навколо них все ще є протопланетний матеріал, який ми можемо виявити. Це усвідомлення вперше відбулося з появою інфрачервоної астрономії в другій половині 20-го століття, коли у трьох зірок було виявлено «надлишкове інфрачервоне випромінювання»:

• Вега, 5-та найяскравіша зірка на нічному небі, у 2,1 рази більша за масу Сонця та віддалена лише на 25 світлових років від нас;

• Фомальгаут, 18-та за яскравістю зірка на нічному небі, маса якої в 1,9 рази більша за масу Сонця, а також віддалена на 25 світлових років;

• і Епсилон Ерідана, «лише» близько 400-а за яскравістю зірка, але з масою лише 82% маси Сонця. Вона знаходиться на відстані 10,5 світлових років від нас, і це третя найближча зоряна система, видима неозброєним оком.

Швидко вдалося з’ясувати, що надмірне інфрачервоне випромінювання від цих систем походить від якогось пилу чи каміння, що оточує ці зірки, на кшталт пояса астероїдів або поясу Койпера (або обох) у цих зоряних системах, аналогічно Сонячній. Спостереження свідчать про те, що їм лише близько 400 мільйонів років кожній. Тому вчені почали працювати над декількомами задачами: охарактеризувати та виміряти тепловиділяючий пил у цих зоряних системах, а також шукати щось, що може бути навіть краще за пил, як-от наявність однієї або кількох екзопланет навколо цих систем.

Коли ми направили телескопи, як, наприклад, Хаббл, на Фомальгаут, нам відкрилось щось вражаюче – чітко впізнаване кільце з яскравим «згустком» майже в його середині.

Чи вдалося астрономам вирішити обидві поставлені задачі одним махом? Чи виявили вони аналог пояса Койпера нашої Сонячної системи, і, можливо, одночасно й гігантську планету?

Це була велика надія, коли вперше з’явились данні спостережень. Вважається, що планети відносно швидко формуються навколо новонароджених зірок. Бо є дуже вагомі докази того, що планети нашої Сонячної системи молодші за саме Сонце менш ніж на ~100 мільйонів років. Цілком можливо, що ці протопланетні диски залишаються стабільними набагато довше. Та як тільки ми почали краще спостерігати за системою Фомальгаута:

• в іншому спектрі довжин хвиль,

• як із землі, так і з космосу,

• і протягом більш тривалих періодів часу,

стало зрозуміло, що пиловий диск, аналог пояса Койпера, був дійсно стійким, але от цей кандидат в екзопланету, яку ми назвали «Фомальгаут b», зовсім не обов’язково був планетою, оскільки він, здається, збільшувався, ставав більш тьмяним, і в нього зменшувалась температура протягом декількох років.

Інші, вже підтверджені, екзопленети знаходили за допомогою методу радіальної швидкості, за допомогою методу транзиту та навіть за допомогою прямого зображення, наприклад, як знайдені планети навколо зірки HR 8799. Але спостереження інших молодих систем з протопланетними дисками в інфрачервоному діапазоні, та в ще довших довжинах хвиль, були ще більш переконливими, ніж прямі зображення екзопланет – почали з’являтися детальні особливості цих дисків. Серед них:

• кільця

• прогалини в цих дисках, які вказували на планети,

• і навіть прямі зображення самих протопланет, деякі з них містять власні навколопланетні диски.

Що обмежувало наші спостереження, так це комбінація роздільної здатності, яка пов’язана з кількістю довжин хвиль спектра, які можуть поміститися в діаметр телескопа (чи для масиву телескопів – відстань між різними окремими телескопами цього масиву) і відстань до об’єкта. Навіть з цими вражаючими зображеннями протопланетних дисків і безпрецедентними деталями, поміченими всередині них, ми все ще були обмежені в дуже важливому аспекті: ми могли розпізнати лише зовнішні області цих дисків, а не внутрішні, де потенційно можуть розміщуватись планети розміром та температурою Землі, що є найбільш “цікавими”.

Це було одне з ключових аспектів, чому, в рамках програми Guaranteed Time Observations, схвалили пропозицію члена команди MIRI  András Gáspár – створити зображення протопланетного диска навколо молодої зоряної системи Фомальгаута. Ця програма надає членам різних наукових груп працювати з космічним телескопом Джеймса Вебба (JWST). На відстані лише 25 світлових років це одна з найближчих до Землі систем, навколо якої є диск. Дивний яскравий об’єкт, який з часом слабшає, розширюється та охолоджується дуже близько до спостережуваного диска, демонструє деякі незвичайні особливості, які заслуговують на подальшу увагу.

Але, мабуть, найцікавіше те, що були попередні докази ще чогось, що відбувалося в системі Фомальгаута: «розрив» у пиловому диску, який супроводжується додатковим світінням в інфрачервоному спектрі

Нарешті дані надійшли, і команда вчених, яка так наполегливо працювала, щоб зібрати та проаналізувати ці дані, опублікувала свою першу статтю про систему Фомальгаута. Використовуючи нову інформацію, отриману за допомогою унікальних можливостей JWST, вони не тільки використали дані з цих трьох різних довжин хвиль:

• 15,5 мікрон, що показує більш гарячий пил з внутрішніх областей диску,

• на 23,0 мікрона, який можна використовувати в поєднанні з коронографом JWST, який блокує світло головної батьківської зірки,

• і на 25,5 мікронах, що є майже найбільшою довжиною хвиль, які JWST здатний спостерігати,

але й об’єднали ці спостереження з новими спостереженнями ALMA (на радіохвилях) і Hubble, використовуючи дані ультрафіолетового та видимого світла.

Було цілком очікувано, що це розкриє більше деталей внутрішньої області зірки, ніж будь-коли раніше, і багато астрономів сподівалися побачити аналог нашої власної Сонячної системи. Чи побачимо ми кільце, схоже на пояс Койпера, без Фомальгаут b (припустимо, що воно вже розпалося), за яким слідує розрив, а потім аналог поясу астероїдів, і внутрішня область, вільна від пилу, яка може бути домом для додаткових планети? Чи побачимо ми взагалі докази існування будь-яких планет безпосередньо? Лише дані можуть дати відповідь.

І тут історія стає справді цікавою та багато в чому несподіваною.

Ми виявили кілька особливостей. По-перше, «старого» планетарного кандидата в екзопланети Фомальгаута b не знайшли, ніби він повністю розвіявся. Скоріш за все, натомість планети це хмара каменів та пилу, яка утворилася в результаті зіткнення двох великих крижаних тіл. Ймовірно, схожа історія походження таких світів, як Плутон і Еріда: масивні тіла в нашому власному поясі Койпера з власною системою супутників. І ми могли б бачити залишки аналога Плутона на цих знімках.

Але ще цікавіше те, що, схоже, з’являється нова можлива хмара пилу. Чи можемо ми бути свідками дуже жорстокого місця у Всесвіті? Чи може це бути регулярним або навіть поширеним явищем: чи аналоги поясу Койпера, які ми знаходимо, насправді є осередками зіткнень і заводами, виробляючими пил? Ці спостереження не доводять цього, але вони, безперечно, є натяками. У поєднанні з даними ALMA і Hubble ми можемо точно зробити висновок, що тут є аналог пояса Койпера, і він може бути джерелом надзвичайного насилля навколо молодих зоряних систем.

В бік центра диску, так звана «зовнішня щілина» безперечно існує і вона значна. Це візуально видно з даних JWST на довгих хвилях, для яких навіть не потрібен коронограф! Існує кільце матеріалу, аналог пояса Койпера, за яким майже напевно є планетарна система — ймовірно, багата масивними гігантськими планетами — з внутрішнім кільцем усередині неї. JWST усунуло всі припущення та показало, що для системи Фомальгаут, безперечно існує серйозна щілина між кільцем-аналогом поясу Койпера та внутрішнім матеріалом, насиченим пилом.

Рухаючись в центр ще далі, все стає справді цікавим; JWST нарешті зміг побачити область, яку не вдавалось побачити іншим інструментам.

По-перше, він виявив, що в щілині є не просто кільце, але й те, що кільце тонке і також має ще одну щілину. Зараз астрономи називають це проміжним кільцем, яке одночасно широке (від 7 до 20 а.о., де 1 а.о. — відстань Земля-Сонце) і велике, з великою піввіссю приблизно 83 а.о. Його розмір приблизно в 2,5 рази перевищує орбіту Нептуна, і приблизно в 10 разів товще за наш власний пояс астероїдів. Іншими словами, це «кільце», ймовірно, вказує на новий тип поясу, який є середнім між тим, що ми б вважали поясом астероїдів і поясом Койпера.

Коли ми подивимось всередину цього проміжного пояса, ми бачимо, що є ще одна щілина: «внутрішня», де пил із проміжного пояса був “вичищений”. Однак для цього не обов’язково потрібна гігантська планета; щось, що лише в кілька разів перевищує масу Нептуна (і менше, ніж маса Сатурна), може зробити це. Майже напевно є одна або кілька планет у цьому проміжному регіоні навколо Фомальгаута, і це викликає спокусливу ймовірність того, що або

• розширене пряме зображення, яке ми очікуємо досягти або за допомогою 30-метрових телескопів (таких як ELT і GMT) на Землі, або за допомогою майбутньої обсерваторії NASA Habitable Worlds, зможе виявити одну або кілька планет у цій системі,

• або довгострокові дослідження радіальної швидкості, які були б чутливі до планет з великою масою і довгим періодом,

може точно показати, як насправді виглядає набір масивних планет навколо Фомальгаута.

Але навіть усередині цієї щілини є ще щось, що зміг виявити лише JWST: внутрішній диск із пилового матеріалу, який нагрівається центральною зіркою та повторно випромінює це тепло як інфрачервоне світло. Лише спроможність “бачити” середні довжини хвиль інфрачервоного випромінювання і дзеркало великого діаметру JWST (яке забезпечує вражаючу роздільну здатність) змогли виявити цей диск, який має бути принаймні ~10 а.о. в радіусі (приблизно розміру орбіти Сатурна навколо Сонця), або, навіть, більший, залежно від розмірів пилових частинок, присутніх у цій системі.

Коли об’єднати спостереження з усіх джерел цієї системи можна знайти ряд відповідей на наші початкові запитання, а також додаткові запитання, до яких привели нас нові дані. Система Фомальгаута, розглянута зблизька та з великими деталями, вперше показує нам систему формування планети, історія якої надзвичайно відрізняється від нашої Сонячної. Вона має

• розширений внутрішній диск, який є досить широким і який може складатися переважно з досить великих частинок пилу,

• ряд планет, розділених проміжним кільцем/поясом, який неймовірно насичений пилом,

• і дуже “жорстокий” аналог пояса Койпера, де часто відбуваються зіткнення, що утворюють пил.

Те, що спочатку вважалося планетою-кандидатом у цьому поясі Койпера, виявилося хмарою пилу, яку більше не бачать навіть потужні інструменти JWST. Але тепер є припущення, що формується нова хмара пилу.

Це призводить до основного питання: як виглядає «типова» архітектура зоряної системи? Чи є такі системи, як наша Сонячна система, звичайними, незвичайними чи винятковими? Чи пов’язана маса основної центральної зірки з наявністю/відсутністю проміжного поясу, і як довго існують ці пилові системи уламків? І чи архітектура Фомальгаута є більш типовою для систем формування планет у всьому Всесвіті? З новим поколінням астрономічних можливостей, які засновують на землі та в космосі, а спостереження за системами Вега та Епсилон Ерідані, безсумнівно, будуть незабаром, ми можемо мати шанс дізнатися про це незабаром!

Це переклад статті https://bigthink.com/starts-with-a-bang/fomalhaut-exoplanet-jwst/