Планета-переросток или звезда-карлик

Астрономы приблизились к разгадке еще одной тайны природы – следует ли считать спутники звезд массой с планету неудавшимися звездами или экзопланетами?

Сфотографировать экзопланету очень сложно – примерно так же, как сделать снимок светлячка рядом с ярким прожектором. Хотя экзопланета отражает свет, он практически целиком перекрывается излучением звезды.

Несмотря на эту проблему, астрономам из Калтеха удалось получить изображения примерно 20 крупных планет, обращающихся вокруг звезд. Эти небесные объекты, которые принято называть «спутники массой с планету» (planetary-mass companions - на англ.), обладают тремя отличительными характеристиками: их масса больше массы Юпитера, орбита достаточно удалена от звезды, и они относительно молодые по возрасту, поэтому еще излучают тепло, возникшее при формировании спутника.

Один из вопросов, который приковывает внимание астрономов, носит фундаментальный характер: «Следует ли считать такие спутники экзопланетами или же «неудавшимися звездами», то есть коричневыми карликами?» Коричневые карлики рождаются так же, как звезды, из сжимающихся огромных облаков газа и пыли, но массы облака не хватает для того, чтобы в его центре давление и температура достигли величин, необходимых для старта реакции термоядерного синтеза. Такие маленькие "недозвезды" плывут свободно по межзвездному пространству, либо объединяются в системы с другими коричневыми карликами.

Рисунок 1. Спутник GSC 6214-210 b показан внизу фотоснимка, а наверху - звезда, вокруг которой он обращается. Фото: M. J. Ireland и соавт.

С тем, чтобы ответить на этот вопрос, группа астрономов из Калтеха произвели измерения периодов вращения трех таких спутников, добавили в исследование периоды вращения еще двух спутников, измеренные в более ранней работе и сравнили их с периодами вращения коричневых карликов, обладающих похожими размерами и свободно перемещающимися в межзвездном пространстве. Результаты исследования были опубликованы 4 декабря в журнале «Нэйче Астрономи» (Nature Astronomy). Согласно им, все пять спутников имели почти такие же периоды вращения, как коричневые карлики.

Как отметила Марта Брайан, студентка выпускного курса Калтеха и ведущий автор исследования, "эти спутники с их большими массами и удаленными от звезды орбитами могли формироваться либо как планеты, либо как звезды". "В нашем исследовании мы хотели пролить свет на их происхождение".

Рисунок 2. На фотографии справа внизу показан спутник массой с планету VHS 1256-1257 b, а в центре звезда, вокруг которой он обращается. Фото: B. Gauza и соавт.

Хезер Натсон, профессор планетологии из Калтеха, одна из соавторов исследования, в распространенном пресс-релизе отметила, что «новые измерения вращения спутников говорят о том, что если эти небесные тела представляют собой массивные планеты, далеко расположенные от своей звезды, их характеристики очень похожи на характеристики коричневых карликов».

Астрономы из Калтеха использовали один из телескопов горной обсерватории Кека на Гавайях с тем, чтобы измерить скорости вращения трех спутников звезд с массой, подобной массе планеты - GSC 6214-210b, VHS 1256-1257, and ROXs 42B b. Исследоватли проводили измерения с помощью инструмента "Ближний инфракрасный спектрограф" (Near Infrared Spectrograph (NIRSpec)), благодаря которому они смогли отделить свет, идущий от спутников от света центральной звезды. Поскольку спутники вращаются вокруг своей оси, свет от того края, который при вращении движется в нашу сторону, имеет меньшую длину волны (смещение спектра в синюю сторону), а свет от края, удаляющегося от нас - имеет бо'льшую длину волны (красное смещение). Степень смещения соответствует скорости вращения небесного тела. Результаты исследования показали, что скорости вращения ранжировались в пределах 6-14 км/с, это такие же скорости, как у газовых гигантов в Солнечной системе - у Сатурна и Юпитера.

В рамках исследования, астрономы также рассмотрели два небесных тела, у которых скорости вращения уже были измерены в предыдущих работах. Первое это экзопланета Бета би в созвездии Живописца, скорость ее вращения составляет 25 км/с, фактически по этому показателю она занимает второе место среди всех спутников массой с планету.

Исследователи сравнили периоды вращения пяти спутников с периодами вращения известных нам свободных коричневых карликов. Оказалось, что они совпадают. Другими словами, спутники массой с планету вращаются вокруг своей оси с той же скоростью, что и свободные коричневые карлики.

Исследователи предложили два возможных объяснения, почему спутники массой с планету вращаются с той же скоростью, что и коричневые карлики.

Первая идея заключается в том, что эти спутники на самом деле являются коричневыми карликами. Формирование таких карликов происходит так же, как и образование обычных звезд – из сжимающегося облака газа и пыли. Однако, в отличии от звезд, облаку не хватает массы для того, чтобы в его центре началась реакция термоядерного синтеза, поэтому оно не может начать сиять с такой яркостью, с какой сияют звезды.

Вторая идея – вероятно, данные спутники формировались так же, как и обычные планеты, из вращающегося диска материи, окружающей молодые звезды. Однако, если это так, то почему такие планеты вращаются со скоростью коричневых карликов?

«Это вопрос, похожий на проблему «среда или питание» - отмечает Натсон. «Родились ли эти спутники как коричневые карлики или же они приобрели эти свойства (периоды вращения) в процессе развития?».

Рисунок 3. На данном фотоснимке справа показан спутник массой с планету ROXs 42B b, а слева звезда, вокруг которой он обращается (слева, литера «А») Фото: A. L. Krause и соавт.

Исследователи также отмечают, что спутники вращаются несколько медленнее, чем ожидалось. Растущие планеты обычно ускоряют вращение благодаря притягиванию материи из окружаюего их газа, примерно так же, как фигуристы на льду ускоряют скорость вращения втягивая к себе руки. Выходит, что относительно невысокие скорости вращения этих спутников говорят о том, что небесному телу удается затормозить подобное ускорение, возможно механизмом передачи углового момента обратно газу.

Марта Брайан, учащаяся последнего курса Калтеха и ведущий автор исследования, отмечает, что «периоды вращения тел массой с планету за пределами Солнечной системы до настоящего времени досконально не изучались. Мы только начинаем исследовать их для того, чтобы понять историю формирования таких небесных тел».

Источник: Сайт Калтеха

Перевод: @egatiro