Газовий гігант масою в сім Юпітерів обертається вшестеро швидше за сусіда, який важить 24 Юпітери. Це звучить як парадокс. Але саме він став ключем до нового розуміння того, як формуються світи за межами нашої Сонячної системи.
Астрономи десятиліттями вважали: чим масивніше космічне тіло, тим повільніше воно обертається. Юпітер і Сатурн у нашій системі ніби підтверджували цю логіку обидва гіганти роблять оберт приблизно за десять годин, зберігаючи левову частку загальної обертальної енергії Сонячної системи. Проте нове дослідження, опубліковане в журналі The Astronomical Journal, доводить: за межами нашого космічного двору правила зовсім інші. І причина цього ховається в магнітних полях, що діяли ще до народження самих планет.
Вшестеро швидше
Міжнародна команда на чолі з Північно-Західного університету (США) використала потужність обсерваторії W. M. Keck на гавайській вершині Маунакэа. За допомогою унікального інструменту KPIC (Keck Planet Imager and Characterizer) вони вивчили 32 газові гіганти та коричневі карлики в інших зоряних системах. Шість із них планети, масивніші за Юпітер. Двадцять пять коричневі карлики, обєкти на межі між зірками та планетами, що не запалилися повноцінним термоядерним синтезом.
Результати виявилися несподіваними.
Після ретельного урахування маси, розміру та віку вчені побачили чітку тенденцію: гігантські планети обертаються швидше, ніж значно масивніші коричневі карлики. Щоб підсилити аналіз, дослідники додали дані з попередніх робіт. Загальна вибірка склала 43 компаньйони зірок і гігантські планети, а також 54 вільно плаваючі коричневі карлики та обєкти планетарної маси, що мандрують космосом без батьківських зірок.
Найпереконливіше підтвердження система HR 8799, розташована приблизно за 133 світлові роки від Землі. Там газовий гігант приблизно в сім разів масивніший за Юпітер обертається вшестеро швидше за коричневого карлика масою в 24 Юпітери, який знаходиться в тій же системі. Різниця вражає: більша маса не дала більшої швидкості, а навпаки призвела до гальмування.
Як виміряти чуже небо
Більшість цих світів обертаються навколо своїх зірок на відстані від десятків до сотень астрономічних одиниць відстані від Землі до Сонця. Для порівняння, Нептун віддалений від Сонця лише на 30 астрономічних одиниць. Ці далекі гіганти живуть у холодному зовнішньому регіоні своїх систем, де процеси формування могли відбуватися зовсім інакше, ніж ближче до зірки.
Як виміряти швидкість їхнього обертання, якщо вони такі далекі?
KPIC працює як хірургічний скальпель серед космічного світла. Інструмент ізолює світло, що йде безпосередньо від планети, відсікаючи випромінювання її зірки, яке в мільйони разів яскравіше. Коли світло проходить через атмосферу обертового гіганта, спектр злегка розширюється через ефект Доплера. Ці мікроскопічні зміни фіксує детектор. За їхньою амплітудою астрономи обчислюють швидкість обертання з точністю, яка раніше здавалася недосяжною.
Це технічно складна операція. Досі такі вимірювання були майже неможливими для обєктів за межами нашої Сонячної системи.
«Обертання це викопна пам’ять про те, як утворилася планета, пояснює провідний автор дослідження Діно Чі-Чун Хсу, дослідник із Центру міждисциплінарних досліджень та астрофізики (CIERA) Північно-Західного університету. Вимірюючи швидкість обертання, ми можемо відтворити фізичні процеси, що сформували ці світи десятки чи сотні мільйонів років тому. KPIC дозволяє вловити крихітні сигнали, які розкривають обертання планет біля інших зірок. Наші результати свідчать, що на швидкість спіну впливає як маса планети, так і співвідношення маси планети до маси її зірки. Це допомагає звузити коло фізичних моделей формування таких систем».
Магнітне гальмо
Чому ж менш масивна планета обертається швидше? Відповідь криється в магнітних полях і тому, як ці обєкти народжувалися.
Коричневі карлики формуються шляхом гравітаційного колапсу хмари газу, подібно до зірок. Гігантські планети зазвичай зароджуються в протопланетних дисках із газу та пилу, що оточують молоді зірки. На ранніх етапах кожен обєкт оточує власне магнітне поле. Чим воно сильніше, тим інтенсивніше взаємодіє з навколишнім диском і тим більше гальмує первинне обертання, передаючи момент імпульсу назад у диск.
Коричневі карлики, будучи масивнішими, мають потужніші магнітні поля. Вони втрачають більше початкового моменту імпульсу протягом перших мільйонів років. Планети ж, хоч і менші, зберегли більше первинної швидкості, оскільки їхні магнітні поля слабші або взаємодія з диском відбувалася інакше.
Це означає, що швидкість обертання залежить не лише від маси. Важливе співвідношення маси планети до маси її зірки, а також сила магнітних взаємодій у перші мільйони років життя системи. Саме ці фактори визначають, наскільки швидко обєкт буде обертатися мільярди років потому.
- Магнітне поле чим воно сильніше, тим інтенсивніше гальмує обертання на ранніх етапах через взаємодію з протопланетним диском
- Співвідношення мас відношення маси планети до маси її зірки впливає на кінцеву швидкість спіну та архітектуру системи
- Спосіб формування планети, що виросли з дисків, і коричневі карлики, народжені з колапсу, мають принципово різну обертальну еволюцію
Наша Сонячна система
Відкриття має пряме відношення і до нашого космічного дому. Розподіл кутового моменту між планетами визначає архітектуру всієї системи. Навіть обертання Землі та її магнітне поле повязані з тим, як мільярди років тому був поділений цей обертальний бюджет між небесними тілами.
Дослідники вважають, що подібні магнітні процеси могли відігравати роль і при формуванні Юпітера та Сатурна. Розуміння того, як гігантські планети втрачають або зберігають свій спін, допомагає пояснити, чому наша Сонячна система має саме таку структуру, а не іншу. Чому Юпітер обертається так швидко? Чому внутрішні планети повільніші? Відповіді криються в тих самих фізичних законах, що діють і в системі HR 8799.
«Такий розподіл кутового моменту між планетами впливає на загальну архітектуру планетарної системи, каже Хсу. Навіть обертання Землі та її магнітне поле зрештою повязані з тим, як цей бюджет спіну був розподілений під час формування Сонячної системи. KPIC перший інструмент такого роду. Він відкриває принципово новий спосіб вивчення екзопланет і дозволив нам виміряти властивості, які раніше було майже неможливо детектувати».
До слова, у масштабному дослідженні взяли участь вчені з UC San Diego, Caltech, НАСА JPL, обсерваторії Keck, Стюардської обсерваторії, Коледжу оптичних наук імені Джеймса Вайанта та багатьох інших установ. Робота стала найбільшим на сьогодні опитуванням обертання екзопланет і коричневих карликів, поєднавши дані кількох поколінь спостережень.
Що далі
Команда вже планує наступний крок. У полі зору вільно плаваючі планети, так звані «блукаючі світи» (Rogue Planets), які не привязані до жодної зірки. Їхнє обертання може розповісти зовсім іншу історію, адже вони формувалися без впливу батьківського світила та його диска.
Вчені припускають, що такі світи могли вилетіти зі своїх систем через гравітаційні взаємодії, або сформуватися ізольовано з газової хмари. У будь-якому разі, їхній спін не зазнавав гальмування з боку зоряного диска і це робить їх ідеальними лабораторіями для перевірки теорій.
Новий інструмент HISPEC (High-resolution Infrared Spectrograph for Exoplanet Characterization), який запрацює в обсерваторії Keck у 2027 році, дозволить вивчати менші та віддаленіші світи, ніж будь-коли раніше. За словами Хсу, ця апаратура зробить доступними обєкти, які сьогодні лишаються поза межами досяжності.
«Ми взяли уроки від KPIC і втілили їх у HISPEC, говорить співавтор дослідження, професор Північно-Західного університету Джейсон Ванг. Нова апаратура матиме кращу чутливість, вищу спектральну роздільність і ширший діапазон довжин хвиль. Ми зможемо різко збільшити кількість планет, чиє обертання вдасться виміряти, і зокрема дослідити світи, ближчі до нашого Юпітера за характеристиками, щоб зрозуміти, чи є він типовим представником галактичної популяції».
За прогнозами Хсу, наступні покоління телескопів дозволять звязати обертання, хімію атмосфер та історію формування в єдину картину. Кожен новий вимір це ще один шматочок пазла, що збирається в загальну історію космосу.
Кожен оберт далекого гіганта це відбиток подій, що відбулися за сотні мільйонів кілометрів і сотні мільйонів років тому.
Астрономи лише починають розшифровувати цей запис.
Про автора
