Нещодавно вчені відкрили десятки мандрівних світів, які не відповідають сучасній класифікації. Нові спостереження змусили переглянути наші теорії формування зірок і планет.
Джерело: Kouzou Sakai for Quanta Magazine
Коли Галілео Галілей, математик з Падуанського університету, спрямував у небо підзорну трубу, яку сам і сконструював, то був приголомшений побаченим – понад 500 нових зірок у сузір’ї Оріона, на додачу до вже знайомих нам трьох на поясі героя і шести, що складають його меч.
У жовтні астрономи використали космічний телескоп Джеймса Уебба, щоб наблизити одну з центральних зірок меча, і виявили ще близько 500 раніше непомічених точок. Ці світи настільки дрібні й тьмяні, що їх не можна віднести ні до зірок, ні до планет. З подібною проблемою стикнувся колись і Галілей, який на одній сторінці свого астрономічного трактату 1610 року називав супутники Юпітера і «зірками», і «планетами», тож роки йдуть, а схожі проблеми не дають спокою астрономам.
«Коли ми дивимось на Сонячну систему, вона здається такою упорядкованою і акуратною. Є Сонце, є планети, – каже Семюель Пірсон, астроном з Європейського космічного агентства (ЄКА), – «а між ними нічого немає, але як придивитися пильніше, то можна помітити, що тут повно об’єктів різного розміру й маси.»
Спостереження JWST поповнюють зростаючий каталог ізольованих об’єктів, які ми поки розташовуємо в сірій зоні між планетами-гігантами й маленькими зірками. Іноді їх називають «мандрівними світами» або «планетами-ізгоями», адже ці одинокі об’єкти вільно дрейфують космосом. Хоча астрономи здатні оцінити розміри цих темних газових куль, масою з Юпітер, їхнє походження залишається таємницею. Чи це насправді планети того ж класу, що і Юпітер, які колись оберталися навколо зірок, але згодом якісь сили виштовхнули їх геть? Чи вони більше подібні до мікрозірок, які так і не змогли засяяти?
Спостереження JWST не дають відповіді на це питання, а навпаки, додають запитань у цей клубок невизначеності. Справа в тім, що інфрачервоне око телескопа виявило десятки світів, які, можливо, обертаються в парах, тобто один навколо одного – загадкові гравітаційні танці, тож якщо це підтвердиться, то всі наші очікування щодо таких об’єктів можуть розсипатися.
Джерело: NASA, ESA, CSA / Science leads and image processing: M. McCaughrean, S. Pearson, CC BY-SA 3.0 IGO
«Нам чогось не вистачає», – впевнена Нінке ван дер Марел, вчена, яка вивчає формування планет у Лейденській обсерваторії в Нідерландах, – «і ми не можемо зрозуміти, що саме».
Утворення цих неймовірних дуетів не можна чітко пояснити жодною з відомих теорій формування ні зірок, ні мандрівних планет. Але вже за тиждень після оприлюднення результатів спостережень JWST дослідники опублікували нову сміливу ідею, яка описує, як гігантські планети можуть парами вилітати зі своєї рідної системи – подія, яку більшість дослідників вважали майже неможливою. Чи може ця гіпотеза повністю пояснити існування всього звіринця темних, беззоряних світів, ще належить з’ясувати. Але дослідники очікують, що тепер ми зможемо краще зрозуміти природу цих мандрівних світів і зоряних систем, які їх породжують.
«Якщо дійсно [це відкриття] підтвердиться», – переконаний Пітер Плавчан, астрофізик з Університету Джорджа Мейсона, який не брав участі у виявленні пар цих юпіпероподібних об’єктів, – «це буде справді революційним досягненням».
Темні світи скрізь
Мандрівні світи століттями залишалися поза увагою астрономів, оскільки вони надзвичайно тьмяні. Щоб пожирати водень і перетворювати його на світло, зорі мають бути щонайменше у 80 разів масивнішими за Юпітер. Світи-ізгої набагато легші й зазвичай мають масу менше ніж 13 Юпітерів. Всі об’єкти, що знаходяться в межах від 13 до 80 мас Юпітера, можуть синтезувати важчий варіант водню і вважаються коричневими карликами, або, як їх іноді романтично називають астрономи, «зірками, що не так і не засяяли».
Перші зображення світів-ізгоїв з’явилися у 2000-х роках, коли астрономи помітили кілька об’єктів, які все ще сяяли в інфрачервоному світлі від жару, що утворився під час їх формування. На основі цих спостережень з’явилося одне з можливих пояснень їхнього походження. У 2010 році астрофізики, зокрема Шон Реймонд з Університету Бордо у Франції, змоделювали процес еволюції планетних систем і виявили, що коли один газовий гігант виштовхує свого сусіда з рідної системи, як це іноді трапляється, то орбіта вцілілої планети витягується в еліпс. Астрономи вже бачили ці викривлені орбіти, які група Реймонда й інші дослідники вважають рубцями на тілі зоряної системи від «сусідських сутичок».
Однак чому всі ці тьмяні об’єкти ходять парами?
Семюель Пірсон, Європейське космічне агентство
Перший ґрунтовний каталог мандрівних світів створили не мисливці за планетами, а мисливці за зірками, які шукали зореподібні об’єкти, що мають навіть меншу масу, ніж коричневі карлики. Нурія Мірет Ройг з Віденського університету й Ерве Буї з Університету Бордо шукали найкрихітніший з коричневих карликів у сузір’ї Скорпіона, в якому знаходиться газова туманність, де народжується багато зірок і планет. Серед понад 26 мільйонів спалахів в інфрачервоному діапазоні на 80 000 зображень вони шукали тьмяні об’єкти, які рухалися у їхньому полі зору протягом спостережень, що тривали цілих 20 років. У 2021 році астроном повідомили, що знайшли близько 100 потенційних об’єктів масою від 4 до 13 мас Юпітера, що збільшило кількість відомих «світів-ізгоїв» приблизно в п’ять разів.
Тепер, маючи змогу проаналізувати вже не жменьку мандрівних світів, а цілий ряд об’єктів, дослідники можуть почати шукати відповіді на основні питання про те, як з’явилися ці світила. За однією з версій джерелом їх утворення були фрагменти уламків диску, який оточує новонароджену зорю, тобто процес подібний до появи планет. А потім якась раптова зустріч із сусідньою планетою виштовхнула їх, як це відбувалося в симуляціях Реймонда у 2010 році.
Друга версія полягає в тому, що вони утворилися самі, коли ізольована хмара водню і гелію стала достатньо щільною, щоб стиснутися в кулю. Так народжуються зірки, тому в цьому випадку такі світи менше схожі на планети, а радше є найменшими коричневими карликами в галактиці.
Джерело: Courtesy of Núria Miret Roig
Мірет Ройг і Буї дійшли висновку, що добрані ними кандидати, ймовірно, можуть бути світами, які утворилися обома способами. Найлегші об’єкти, ймовірно, були планетами, що були викинуті зі своїх зоряних систем, хоча астрономи знайшли занадто багато таких планет, щоб це явище можна було легко пояснити, використовуючи лише теорію виштовхування планет.
«Існує безліч мандрівних планет, – розповідає Мірет Ройг, – і вони, ймовірно, утворилися за різними способами.»
Поєднання обох шляхів утворення здається цілком вірогідним. Але скільки зі 100 мандрівних світів були планетами, а скільки – зорями, дослідники визначити не можуть.
Через три дні після того, як Мірет Ройг і Буї опублікували свої результати, запустили JWST, а разом з ним і нову еру в полюванні на мандрівні планети.
Потанцюємо?
Астрономи підозрювали, що JWST стане інструментом для пошуку мандрівних планет. Він знаходиться далеко від земної атмосфери, яка заважає бачити планети. Його величезне дзеркало набагато чутливіше реагує на найдрібніші блиски Всесвіту, ніж може це зробити його попередник, космічний телескоп Габбл. Крім того, телескоп вловлює інфрачервоне світло, тому ідеально підходить для пошуку тьмяних світів.
Пірсон співпрацював з Марком Маккоріаном, астрономом ЄКА, щоб детальніше ніж раніше дослідити мандрівні світи. Їх зачарували процеси зореутворення і формування планет, також вони хотіли знайти об’єкти схожі на коричневі карлики, що знаходяться в «невизначеній сірій зоні» між цими двома стадіями. Так за словами Пірсона, «можна знайти перехрестя обох класів». У жовтні 2022 року Пірсон і Маккоріан направили космічний телескоп на центральну зірку меча, що звисає з пояса Оріона. Спостереження тривало 35 годин.
Джерело: Merrill Sherman/Quanta Magazine; Mark McCaughrean and Sam Pearson / NASA, ESA, CSA
Пірсону знадобилися місяці, щоб поєднати отримані 12 500 зображень туманності Оріона, отриманих JWST, піксель до пікселя. Завдання ускладнювалося надзвичайною чутливістю телескопа, адже багато слабких об’єктів, які зазвичай використовуються як орієнтири, засліплювали надчутливе око JWST.
«Коричневі карлики, які зазвичай важко розгледіти, засвітлювали частину зображення», – розповідає вчений. Це була «проблема, яку я ніколи раніше не зустрічав, коли працював з іншими телескопами».
Склавши космічну мозаїку, Пірсон побачив безліч таємничих світів, які він прагнув знайти. Понад 500 мандрівних об’єктів масою в кілька мас Юпітера пронизують туманність Оріона. Але справжня знахідка йому відкрилася, коли він уважніше придивився і побачив те, що спершу здавалося чимось дивним. Деякі плями світла виявилися парами об’єктів юпітеріанського класу. Загалом він нарахував 42 танцюючі пари – напрочуд велика кількість.
«Так, а чому всі ці тьмяні об’єкти ходять парами?» – дивувався Пірсон. «Потім ми зрозуміли, що треба подивитися на це явище уважніше».
З теоретичної точки зору, ці тандеми здавалися майже неможливими. Навряд чи це були «викинуті» планети, адже коли одна планета виштовхує іншу із зоряної системи, то остання майже завжди летить без агресивного сусіда. Але це точно не зірки, оскільки чимало з виявлених об’єктів мають саме таку малу масу, як один Юпітер – занадто мало, щоб це був об’єкт, який сам утворився з колапсуючої газової хмари. Команда назвала свої загадкові дуети подвійними об’єктами юпітеріанської маси, або скорочено JUMBO (Jupiter Mass Binary Objects), і розповіла про них у препринті, опублікованому 2 жовтня.
Відкриття прямо скажемо неочікуване. Наразі не існує теорій, які б припускали появу цих мандрівних об’єктів, та ще й у такій великій кількості.
Метью Бейт, Університет в Ексетері
Відкриття JUMBO застало експертів з утворення зірок і планет зненацька. «Відкриття прямо скажемо неочікуване. Наразі не існує теорій, які б припускали появу цих мандрівних об’єктів, та ще й у такій великій кількості.», – розповів Метью Бейт, астрофізик з Університету в Ексетері, який займається зореутворенням.
Астрономи й раніше спостерігали, як багато масивних зірок обертаються в космосі парами, але відзначається кореляція між масою зірок та тілшькістю подвійних систем: чим менше маса зірок, тим менше таких зірок об’днуються в пари. «Ми загалом очікували, що ця тенденція збережеться», – говорить ван дер Марел. Отже, за її словами, відсоток об’єктів юпітеріанської маси в парах «має наближатися до нуля». Тому Збільшення кількості таких об’єктів до 10% – це начебто виграти в лотерею, яку влаштував JWST, але ж до самого фіналу вчені-теоретики й не підозрювали, що грають у неї.
Проблема в тому, що принаймні деякі з JUMBO, ймовірно, є міражами. Чим глибше об’єкт залягає в запиленому середовищі, а туманність Оріона вкрай запорошена, тим важче відрізнити його від далекої, масивнішої зорі за туманністю, яка, ймовірно, має партнера у своїй системі. У попередніх дослідженнях від 20% до 80% того, що виглядало як мандрівні світи, виявилося зірками-привидами. «Зараз потрібно бути трохи обережними», – каже Мірет Ройг.
Навесні Пірсон і Маккоріан використають JWST, щоб знову дослідити свою групу мандрівних світів, цього разу в широкому спектрі кольорів. Ці спостереження зможуть підтвердити, які з JUMBO є справжніми. Головна мета в них – пошук слідів метану або води в атмосфері, що є характерною ознакою світів юпітеріанської маси.
«Як тільки отримаємо спектри, – каже Пірсон, – то тікати від цього факту буде практично нікуди».
Надшвидкі симуляції
Навіть не маючи підтвердження, теоретики вже навипередки намагаються пояснити існування цих загадкових світів.
Розальба Перна, астрофізик з Університету Стоні Брук, дізналася про JUMBOs Оріона з новин ще до того, як прочитала статтю Пірсона. Перна і Йіхан Ванг з Університету Невади в Лас-Вегасі вивчали, що відбувається, коли зірка пролітає повз іншу сонячну систему. Вони зосередилися переважно на моделюванні систем з однією планетою-гігантом. Але відкриття JUMBO змусило Перну замислитися над питанням: а що, як додати до моделі дві гігантські планети? Вона зателефонувала Вангу й попросила його перевірити, що станеться, якщо він додасть до симуляції другий «Юпітер».
Ван налаштував свою симуляцію так, щоб програма з усіх можливих напрямків закидала цифровими зірками незліченну кількість зоряних систем з двома планетами юпітеріанського класу. Він також налаштував програму так, щоб вона сповіщала його, якщо непрохана зірка-загарбник виривала обидві планети з гравітаційного захоплення материнської зірки й парою відправляла у вільне «плавання» Всесвітом, тобто тоді, коли фактично в симуляції виникали JUMBO. Потім він відправив код до обчислювального кластера в своєму університеті й пішов на обід.
Коли Ванг повернувся до свого офісу і перевірив комп’ютер, він побачив повідомлення з написом «утворилася подвійна система планет!!!».
З десятків мільярдів симуляцій команда виявила, що юпітеріанські планети вилітають парами відносно легко, якщо планети опиняються досить близько одна до одної, коли повз них пролітає інша зірка. Особливо часто це траплялося з близькими планетами, орбіти яких щільно розташовані поруч (згадаймо Уран і Нептун). У таких випадках до 20 зі 100, викидало пару планет (JUMBO), а в інших 80 виривало по одній планеті. Цього більш ніж достатньо, щоб пояснити 10%, які Пірсон спостерігав в Оріоні. Але для планет з більш віддаленими орбітами (наприклад, Юпітер-Нептун) майже у всіх випадках вилітала тільки одна планета.
З допомогою колеги Вана Чжаохуань Чжу група працювала практично цілодобово (а одного разу навіть під час польоту до Європи). Тріо вчених оформили свої результати й опублікували препринт 9 жовтня, через тиждень після знахідки JUMBO.
«Швидкість, з якою вони це зробили, трохи лякає», – коментує Пірсон.
Інші астрофізики-теоретики ще не встигли повністю переварити нові результати, але вони вважають їх правдоподібними й дивовижними. «Я не думав, що [утворення мандрівних пари планет] можливе з погляду теорії виштовхування, – зізнається Реймонд, – але потім з’явилася ця стаття.»
Джерело: Jürgen Mai (left); Victor See
Утім, деякі деталі цієї теорії потребують подальшого вивчення. Туманність Оріона – це насичене безліччю зірок місце, але чи настільки воно хаотичне, щоб спочатку в ньому виникли сонячні системи, а потім – розпалися, і все це лише протягом кількох мільйонів років? Крім того, багато з JUMBO (парних недозірок) Пірсона й Маккоріана обертаються на великих відстанях одна від одної, часто в кілька разів далі одна від одної, ніж Плутон від Землі. Але згідно з симуляціями Ванга, єдиний спосіб отримати такі віддалені JUMBO – відразу під час запуску симуляції розташувати ці об’єднання на такій же відстані один від одного, що астрономи дуже рідко спостерігають у реальному космосі.
«Завдяки прямим спостереженням за молодими зірками ми знаємо, що дуже мало зірок мають у їх системах планети-гіганти на [великих] орбітах», – стверджує Бейт. «Важко уявити, щоб в Оріоні було багато великих планетних систем, які можна так активно руйнувати».
Об’єктів-ізгоїв вистачає
Зараз чимало дослідників підозрюють, що ці дивні проміжні об’єкти можуть формуватися різними способами. Наприклад, трохи поміркував, теоретики можуть дійти висновку, що з більшою імовірністю ніж це передбачалося ударні хвилі від спалаху наднових можуть стискати менші газові хмари й сприяти їх колапсу й утворенню пар крихітних зірок. А симуляції Ванга показали, що теоретично ситуації, коли планети вириває парами принаймні в окремих випадках, не можна виключити.
Хоча багато питань залишається без відповідей, безліч мандрівних світів, відкритих за останні два роки, показали дослідникам дві речі. По-перше, вони формуються швидко – протягом мільйонів, а не мільярдів років. В Оріоні колапсували газові хмари й утворювалися планети, а деякі, можливо, навіть затягували в космічну безодню зірки, які пролітали повз, – усе ці процеси тривали, поки на Землі еволюціонувала людська цивілізація.
Джерело: Laurence Honnorat
«За допомогою сучасних моделей важко створити планету за 1 мільйон років, – зазначає ван дер Марел. «Це [відкриття] додало б ще один шматочок до цієї мозаїки”.
По-друге, існує безліч викинутих світів. І важкі газові гіганти найважче «виселити» з їхніх рідних систем, так само, як кулю для боулінгу важко сбити києм з більярдного столу. Це свідчить про те, що на кожен виявлений об’єкт юпітеріанської маси припадає безліч мандрівних «нептунів» і «земель”, які ми так і не можемо побачити.
Ми, ймовірно, живемо в галактиці, що рясніє вигнанцями різних розмірів.
Зараз, майже через півтисячоліття після того, як Галілей дивувався незліченним краплинкам світла – місяцям, планетам і зіркам, що вкривають нічне небо, його наступники починають пізнавати найяскравішу верхівку айсберга тьмяних об’єктів, що дрейфують космічним океаном. Крихітні зірки, беззоряні світи, невидимі астероїди, чужорідні комети й багато чого іншого.
«Ми знаємо, що між зірками є ціла купа всіляких речей», – каже Реймонд. Такі дослідження «дають змогу поглянути не лише на мандрівні планети, а й на всі подібні об’єкти».
Чарлі Вуд, 13 листопада 2023 р.