|
Как образуются некоторые гигантские экзопланеты
|
|
|
|
Теперь у астрономов есть способ выяснить, как образуются газовые планеты-гиганты, благодаря открытию космическим телескопом Джеймса Уэбба (JWST) "изотопологов" аммиака, которые представляют собой молекулы, содержащие одни и те же элементы, но с разным количеством нейтронов. Ядро атома состоит из множества протонов и нейтронов, и хотя количество протонов в элементе не меняется — например, атомы углерода всегда содержат шесть протонов, а атомы азота — семь, - количество нейтронов может варьироваться. Когда происходит такое изменение, атом превращается в изотоп. Когда изотопы являются частью более крупной молекулы, мы называем их изотопологами. Например, изотоп углерод-12 (12С) содержит шесть протонов и шесть нейтронов, но изотоп углерод-13 (13С) тяжелее и содержит шесть протонов и семь нейтронов. Это соотношение 12С к 13С обычно используется для получения подробных сведений об истории планетных систем, поскольку различные изотопы имеют несколько разные свойства и разное происхождение.
|
|
|
|
Хотя в атмосферах планет Солнечной системы было обнаружено много различных изотопов, большие расстояния до экзопланет означают, что до сих пор единственными изотопами, которые можно было обнаружить в атмосферах экзопланет, были 12С и 13С. Однако теперь все меняется благодаря JWST и команде астрономов под руководством Дэвида Баррадо, Поля Мольера и Полихрониса Патаписа из Центра астробиологии в Мадриде. Они использовали прибор среднего инфракрасного диапазона JWST (MIRI) для обнаружения изотопов аммиака в атмосфере холодного коричневого карлика, известного как WISE-J1828, который находится на расстоянии 32,5 световых лет от земли в направлении летнего созвездия Лиры. Коричневый карлик настолько холоден, что его предполагаемая температура составляет всего 100 градусов по Цельсию (212 градусов по Фаренгейту). Чтобы было понятно, коричневый карлик технически не является планетой; это "неудавшаяся звезда", или объект, недостаточно массивный для того, чтобы в его ядре происходили реакции ядерного синтеза водорода. Однако коричневые карлики являются хорошим примером некоторых планет-гигантов.
|
|
|
В спектре WISE-J1828, полученном MIRI, обнаружены водяной пар, метан и аммиак. Все три вещества являются основными в атмосферах газовых гигантов и коричневых карликов, но необычным здесь был излом спектральных линий, указывающий на два разных изотополога аммиака. Аммиак - это молекула, состоящая из одного атома азота и трех атомов водорода, поэтому он имеет химическую формулу NH3. В одном изотопологе атом азота, содержащийся в аммиаке, содержит семь протонов и семь нейтронов, и, следовательно, этот изотополог аммиака называется 14NH3. Другой изотополог содержит семь протонов и восемь нейтронов и называется 15NH3. Наблюдения JWST показали, что соотношение 14NH3 к 15NH3 составляет 670 к 1. Другими словами, на каждые 15 N изотопов азота в атмосфере WISE-J1828 приходится 670 14 N изотопов. В нашей Солнечной системе это соотношение намного ниже. Например, на Земле оно составляет всего 272 к 1. Считается, что дополнительный 15N на нашей планете поступает от комет, которые, естественно, имеют более высокую концентрацию 15N. Считается, что все планеты Солнечной системы, включая газовых гигантов, таких как Юпитер, сформировались "снизу вверх" в процессе аккреции более мелких тел, таких как кометы.
|
|
|
|
Мы ожидали бы, что объект, сформировавшийся противоположным образом, "сверху вниз", в результате прямого гравитационного коллапса облака молекулярного газа, не подвергся бы такому процессу аккреции и, следовательно, содержал бы меньше 15N. Коричневые карлики, как и звезды, формируются таким образом, сверху вниз, и измерения изотопологов аммиака, проведенные МИРИ, подтверждают это. Также есть подозрение, что, в то время как Юпитер и Сатурн формировались снизу вверх, некоторые огромные газовые гиганты, особенно те, которые находятся далеко от своей родительской звезды, могли формироваться сверху вниз. Если коричневый карлик - это неудавшаяся звезда, то эти планеты-гиганты были бы больше похожи на неудавшихся коричневых карликов. Суть в том, чтобы доказать, что планета сформировалась нисходящим образом. Так вот, WISE-J1828 в принципе доказал, что изотопологи аммиака, которые действуют как индикаторы нисходящего процесса формирования, могут быть идентифицированы с помощью JWST. Поэтому следующим этапом является наведение космического телескопа на несколько гигантских экзопланет, чтобы посмотреть, сможет ли его прибор MIRI определить соотношение изотопов аммиака в них и, наконец, разрешить одну из самых больших загадок формирования планет: как на самом деле рождаются планеты-гиганты?
|
|
|
|
Источник
|
