Ученые недавно обнаружили десятки свободно плавающих планет, не поддающихся классификации, что заставило их пересмотреть свои теории формирования звезд и планет.
Когда Галилео Галилей, математик из Падуанского университета, направил на небо подзорную трубу собственного изготовления, он был потрясен увиденным - более 500 новых звезд в созвездии Ориона, помимо привычных трех в поясе охотника и шести в мече.
В октябре астрономы использовали космический телескоп Джеймса Уэбба для увеличения одной из средних звезд в мече и определили еще 500 или около того ранее невидимых точек. Эти миры настолько малы и тусклы, что стирают грань между звездой и планетой. Эта двусмысленность мучила Галилея, который называл луны Юпитера и "звездами", и "планетами" на одной и той же странице своего астрономического трактата 1610 года, и продолжает беспокоить астрономов сегодня.
"Когда мы смотрим на Солнечную систему, все выглядит красиво и аккуратно. Есть Солнце, есть планеты, - говорит Сэмюэл Пирсон, астроном из Европейского космического агентства (ЕКА). В центре ничего нет. Но "когда вы действительно идете и смотрите, - говорит Пирсон, - вы понимаете, что существует полный спектр [объектов с] практически любой массой между ними".
Наблюдения JWST пополняют растущий каталог изолированных объектов, занимающих эту серую зону между планетами-гигантами и крошечными звездами. Иногда их называют "свободно плавающими" или "блуждающими" планетами, эти одиночные миры свободно дрейфуют в космосе. Хотя астрономы могут оценить массу этих темных газовых шаров с массой Юпитера, их происхождение остается загадочным. Действительно ли это планеты-"юпитеры", которые когда-то вращались вокруг звезд, но были каким-то образом выплюнуты? Или же они больше похожи на микрозвезды, которые не смогли зажечься?
Не отвечая на этот вопрос, наблюдения JWST лишь усугубляют загадку: Инфракрасный глаз телескопа обнаружил, что десятки миров, похоже, вращаются друг вокруг друга парами - загадочное расположение, которое, если подтвердится, опровергнет ожидания.
"Мы что-то упускаем, - говорит Ниенке ван дер Марел, исследователь, изучающий формирование планет в Лейденской обсерватории в Нидерландах, - и мы не знаем, что именно"
Эти невероятные дуэты не могут быть легко объяснены ни одной из известных теорий формирования ни звезд, ни свободно плавающих планет. Но не прошло и недели после анонса JWST, как исследователи опубликовали новую смелую идею, описывающую, как гигантские планеты могут выбрасываться из своей родной системы парами - событие, которое большинство исследователей считали практически невозможным. Сможет ли это предложение полностью объяснить весь зоопарк тусклых беззвездных миров, пока неизвестно. Но исследователи надеются, что уточненное понимание свободно плавающих миров и звездных систем, которые их создают, уже близко.
"Если [это открытие] действительно подтвердится, - сказал Питер Плавчан, астрофизик из Университета Джорджа Мейсона, который не участвовал в обнаружении пар юпитеров, - это будет действительно революционным событием."
Темные миры повсюду
Свободно плавающие миры веками ускользали от внимания астрономов, потому что они чрезвычайно темные. Чтобы сжигать водород и ярко светить, звезды должны быть как минимум в 80 раз массивнее Юпитера. Блуждающие миры гораздо легче и обычно определяются как имеющие массу менее 13 юпитеров. (Все, что находится между 13 и 80 Юпитерами, может сжигать более тяжелый вариант водорода и классифицируется как коричневый карлик, или то, что астрономы иногда романтично называют "несостоявшейся звездой").
На самом деле, относительная невидимость свободно блуждающих планет однажды заставила некоторых астрофизиков задуматься, может ли быть достаточно таких объектов для учета темной материи - неопознанной массы, которая, кажется, удерживает галактики вместе. Этот вопрос побудил астрономов в 1990-х годах заняться поиском признаков существования таких миров, что они и сделали, изучая тонкие способы, с помощью которых их гравитация искажала внешний вид звезд, перед которыми они проходили. Косвенный характер этих "микролинзовых" исследований не очень хорошо подходил для идентификации отдельных свободно плавающих объектов, но они показали, что их недостаточно для того, чтобы составить темную материю.
Первые изображения миров-изгоев появились в 2000-х годах, когда астрономы заметили несколько объектов, все еще светящихся в инфракрасном свете из-за тепла, выделяемого при их формировании. На основе этих наблюдений возникла одна из возможных версий происхождения. В 2010 году астрофизики, в том числе Шон Реймонд из Университета Бордо во Франции, смоделировали эволюцию планетарных систем и обнаружили, что когда одна планета-газовый гигант выбрасывает брата или сестру из своей родной системы, как это иногда случается, изгнание растягивает орбиту выжившей планеты в эллипс. Астрономы уже наблюдали такие перекошенные орбиты, которые группа Рэймонда и другие исследователи интерпретировали как шрамы от прошлых межпланетных травм.
"Постойте, почему все это тусклое вещество в парах?"
Первый значительный каталог свободно плавающих миров был составлен не охотниками за планетами, а охотниками за звездами, которые искали звездоподобные объекты с еще меньшим весом, чем коричневые карлики. Нурия Мирет Роиг из Венского университета и Эрве Буи из Университета Бордо искали самые карликовые из коричневых карликов в созвездии Скорпиона, где находится газовая туманность, порождающая множество звезд и планет. Среди более чем 26 миллионов точечных инфракрасных лучей на 80 000 снимков они искали тускло светящиеся объекты, которые перемещались по полю зрения в ходе наблюдений, длившихся 20 лет. В 2021 году они объявили, что нашли около 100 объектов-кандидатов массой от 4 до 13 масс Юпитера, что увеличило число известных миров-изгоев примерно в пять раз.
Получив для анализа не просто горстку свободно плавающих объектов, исследователи смогли начать задавать основные вопросы о том, откуда взялись эти миры. Одна из возможностей заключается в том, что они образовались из дискообразного мусора, который окружает только что родившуюся звезду, как это происходит с планетами. Вторая возможность заключалась в том, что они образовались сами по себе, когда изолированное облако водорода и гелия стало достаточно плотным, чтобы превратиться в шар. Именно так рождаются звезды, и это сделало бы эти миры менее похожими на планеты и более похожими на мельчайшие коричневые карлики галактики.
Мирет Ройг и Буи пришли к выводу, что их кандидаты, скорее всего, содержат миры, которые образовались обоими способами. Самые легкие объекты, вероятно, были планетами-пунтами, хотя астрономы нашли их слишком много, чтобы легко объяснить их только с помощью моделей выброса планет.
"Есть много свободно плавающих планет, - говорит Мирет Ройг, - и они, вероятно, формируются с помощью разных механизмов.
Смесь обоих видов происхождения кажется вероятной. Но сколько из 100 свободно плавающих миров были планетами, а сколько - звездоподобными, исследователи сказать не смогли.
Через три дня после того, как Мирет Ройг и Буи опубликовали свои результаты, был запущен JWST, и началась новая эра поиска свободно плавающих планет.
Капли юпитеров
Астрономы подозревали, что JWST станет машиной для поиска свободно плавающих планет. Он находится далеко за пределами мешающей мути земной атмосферы. Его гигантское зеркало обеспечивает гораздо большую чувствительность к тонким особенностям Вселенной, чем у его предшественника, космического телескопа "Хаббл". Кроме того, он улавливает инфракрасный свет, что делает его идеальным для обнаружения тускло светящихся миров.
Пирсон в партнерстве с Марком Маккорином, астрономом ЕКА, решил искать свободно плавающие миры более глубоко, чем это было возможно ранее. Они были увлечены формированием звезд и планет и хотели найти объекты, подобные коричневым карликам, в "хаотичной серой зоне" между ними. Там "вы получаете пересечение обоих миров", - говорит Пирсон. В октябре 2022 года Пирсон и МакКогрин направили космический телескоп на центральную звезду в мече, свисающем с пояса Ориона. В течение 35 часов.
Пирсону потребовались месяцы, чтобы пиксель за пикселем выровнять 12 500 изображений туманности Ориона, полученных с помощью JWST. Эта сложная задача была осложнена изысканной чувствительностью телескопа: Многие слабые объекты, обычно используемые в качестве ориентиров, ослепляли сверхчувствительный глаз JWST.
"Коричневые карлики, которые обычно трудно увидеть, стирали кусочки детектора", - сказал он. С такой проблемой я не сталкивался ни на одном другом телескопе".
После завершения работы над космической мозаикой Пирсон был вознагражден обилием таинственных миров, которые он искал: Более 500 свободно плавающих объектов массой в несколько Юпитеров усеяли туманность Ориона. Но настоящим сюрпризом стало то, что, присмотревшись, он увидел нечто, что поначалу не имело особого смысла. Некоторые из световых пятен оказались парами объектов с массой Юпитера. В общей сложности он насчитал 42 пары вращающихся Юпитеров - поразительное число.
"Постойте, почему все эти тусклые объекты расположены парами?" вспоминает Пирсон, удивляясь. "А потом нам стало ясно, что мы должны очень внимательно к этому присмотреться".
С теоретической точки зрения эти дуэты казались практически невозможными. Маловероятно, что это были выброшенные планеты; когда одна планета выбрасывает другую из звездной системы, выброшенная планета почти всегда улетает одна. Но и звездами они быть не могли, поскольку масса многих из них не превышала одного Юпитера - слишком мало для того, чтобы объект образовался непосредственно из разрушающегося газового облака. Команда назвала свои загадочные дуэты Jupiter Mass Binary Objects, или сокращенно JUMBOs, и описала их в препринте, опубликованном 2 октября.
"Это вообще не было предсказано. Нет никаких существующих теорий, в которых мы ожидали бы увидеть эти широкие, свободно плавающие планетарные объекты в таком количестве."
Обнаружение JUMBO застало экспертов по образованию звезд и планет врасплох. "Это вообще не было предсказано. Нет никаких существующих теорий, по которым мы могли бы ожидать такие широкие, свободно плавающие планетарные объекты в таком количестве", - сказал Мэтью Бейт, астрофизик из Эксетерского университета, специализирующийся на звездообразовании.
Астрономы ранее заметили, что, хотя многие массивные звезды вращаются в космосе вместе с партнерами, процент соединенных звезд падает с увеличением их массы. "Обычно мы ожидаем, что тенденции сохранятся", - сказала ван дер Марел. Таким образом, по ее словам, процент объектов с массой Юпитера в парах "должен стремиться к нулю". Скачок до 10 процентов не был ни для кого бинго-картой JWST.
Загвоздка в том, что по крайней мере некоторые из JUMBO, вероятно, являются миражами. Чем глубже объект находится в пыльной среде (а туманность Ориона чрезвычайно пыльная), тем сложнее отличить его от далекой, более массивной звезды за туманностью, у которой, как ожидается, есть партнер. В предыдущих исследованиях от 20 до 80 процентов миров, которые выглядели как свободно плавающие, оказались ванильными звездами. "Весной Пирсон и МакКогрин с помощью JWST снова пронаблюдают за своей партией свободно плавающих миров, на этот раз в более богатом цветовом спектре. Эти последующие наблюдения помогут подтвердить, какие JUMBO являются настоящими, путем поиска следов метана или воды в их атмосферах, что является характерным признаком миров с массой Юпитера.
"Как только у вас есть спектры, - говорит Пирсон, - спрятаться практически негде."
Быстрое моделирование
Даже без подтверждения теоретики уже бьются над объяснением этих загадочных миров.
Розальба Перна, астрофизик из Университета Стоуни-Брук, услышала о JUMBOs Ориона в новостях, еще до того, как прочитала статью Пирсона. Перна и Ихань Ванг из Университета Невады в Лас-Вегасе изучали, что происходит, когда звезда пролетает мимо другой солнечной системы. В основном они сосредоточились на моделировании систем с одной гигантской планетой. Но JUMBO заставили Перну задуматься: А что, если планет-гигантов будет две? Она вызвала Ванга и попросила его посмотреть, что произойдет, если он добавит в симуляцию второй Юпитер.
Ванг настроил свою программу так, чтобы она бросала цифровые звезды в бесчисленные звездные системы с двумя Юпитерами со всех сторон. Он также настроил программу так, чтобы она оповещала его, если звезда-"нарушитель" отправит обе планеты в космос вместе, создав JUMBO. Затем он отправил код на вычислительный кластер своего университета и отправился на обед.
Когда Ванг вернулся в свой офис и проверил компьютер, он обнаружил список предупреждений с текстом "образовалась бинарная планета!!!"
После десятков миллиардов симуляций команда увидела, что загрузка пар Юпитеров происходит относительно легко, если планеты оказываются совсем рядом друг с другом, когда мимо пролетает звезда-злоумышленник. Особенно часто это происходило с соседями с тесно расположенными орбитами (вспомните Уран и Нептун). В таких случаях до 20 из 100 выбросов приводили к образованию JUMBO (остальные 80 - к образованию одиночных планет) - более чем достаточно, чтобы объяснить 10-процентный показатель, который Пирсон наблюдал на Орионе. Но для планет с более удаленными друг от друга орбитами (вспомните Юпитер-Нептун) почти все выбросы приводили к образованию одиночных планет.
С помощью коллеги Ванга, Чжаохуана Чжу, группа работала круглосуточно (а в одном случае - во время перелета в Европу). Трио написало свои результаты и опубликовало препринт 9 октября, через неделю после обнаружения JUMBO.
"Скорость, с которой они это написали, немного пугает", - говорит Пирсон.
Другим астрофизикам-теоретикам еще предстоит полностью переварить новые результаты, но они находят их правдоподобными и удивительными. "Я не думал, что [создание свободно плавающей пары планет] возможно с точки зрения выброса", - говорит Рэймонд. "Но потом появилась эта статья".
И все же некоторые детали теории звездного вторжения потребуют дальнейшего изучения. Туманность Ориона - плотное место с большим количеством звезд, проносящихся вокруг, но достаточно ли она хаотична, чтобы сначала создать солнечные системы, а затем разбить их на части, причем за несколько миллионов лет? Кроме того, многие из JUMBO Пирсона и МакКорина обращаются друг вокруг друга на огромных расстояниях: они в несколько раз дальше друг от друга, чем Плутон от Земли. Но, согласно моделированию Ванга, единственный способ получить такие широко разнесенные JUMBO - это начать с аналогично разнесенных солнечных систем, которые астрономы видят редко.
"Мы знаем из прямых поисков изображений молодых звезд, что очень немногие звезды имеют гигантские планеты на [широких] орбитах", - сказал Бейт. "Трудно согласиться с тем, что в Орионе было много крупных планетарных систем, которые можно было разрушить."
Роговые объекты встречаются повсеместно
На данный момент многие исследователи подозревают, что существует не один способ создания этих странных промежуточных объектов. Например, при некоторой доработке теоретики могут обнаружить, что ударные волны сверхновых могут сжимать небольшие газовые облака и помогать им распадаться на пары крошечных звезд быстрее, чем ожидалось. А моделирование Ванга показало, что образование гигантских планет парами, по крайней мере в некоторых случаях, теоретически неизбежно.
Хотя многие вопросы остаются, множество свободно плавающих миров, обнаруженных за последние два года, научили исследователей двум вещам. Во-первых, они образуются быстро - за миллионы лет, а не за миллиарды. В Орионе газовые облака разрушились, сформировались планеты, а некоторые, возможно, даже были утянуты в бездну пролетающими мимо звездами, и все это в то время, когда на Земле развивались современные люди.
"Сформировать планету за 1 миллион лет сложно в рамках существующих моделей", - говорит ван дер Марел. "Это [открытие] добавит еще один кусочек к этой головоломке".
Во-вторых, в мире существует множество непривязанных миров. А тяжелые газовые гиганты труднее всего изгнать из своих систем, подобно тому, как шар для боулинга труднее всего сбить с бильярдного стола. Это наблюдение позволяет предположить, что на каждый замеченный Юпитер приходится множество свободно плавающих Нептунов и Земель, которые остаются незамеченными.
Вероятно, мы живем в галактике, кишащей изгнанными мирами всех размеров.
Сейчас, спустя почти полтысячелетия после того, как Галилей восхитился мириадами световых точек - лун, планет и звезд в небе Земли, его преемники знакомятся с самой яркой верхушкой айсберга более темных объектов, дрейфующих между ними. Крошечные звезды, беззвездные миры, невидимые астероиды, инопланетные кометы и многое другое.
"Мы знаем, что между звездами есть куча всякого дерьма, - говорит Рэймонд. Подобные исследования "открывают окно на все это, не только на свободно плавающие планеты, но и на свободно плавающий материал в целом".
Оригинал статьи перепечатан с разрешения журнала Quanta, независимого издания Фонда Саймонса, чья миссия заключается в улучшении понимания общественностью науки путем освещения научных разработок и тенденций в математике, физических науках и науках о жизни.