Астрономы впервые получили прямое подтверждение фундаментального предположения о формировании планет, изучив раскалённую планету WASP-189b, расположенную почти в 320 световых годах от Земли. Учёные установили, что эта планета обладает важной химической характеристикой, совпадающей с её родительской звездой, что подтверждает давнюю теорию и помогает в исследовании потенциально обитаемых миров. Прорыв стал возможен благодаря первому одновременному измерению газообразных магния и кремния в атмосфере экзопланеты с помощью телескопа Gemini South, входящего в Международную обсерваторию Gemini, которая частично финансируется Национальным научным фондом США и управляется NSF NOIRLab.
WASP-189b находится в созвездии Весов и относится к классу ультрагорячих юпитеров — планет, где температура настолько высока, что даже материалы, обычно встречающиеся в твёрдых породах, превращаются в газ. В их атмосферах можно обнаружить такие элементы, как магний (Mg), кремний (Si) и железо (Fe). Для их выявления астрономы используют спектроскопию — метод, разделяющий свет на разные длины волн и позволяющий определить химический состав.
Международная исследовательская группа под руководством Хорхе Антонио Санчеса, аспиранта Университета штата Аризона, изучала WASP-189b с помощью высокоразрешающего инфракрасного спектрографа IGRINS, который на тот момент был установлен на телескопе Gemini South в Чили. Впервые учёным удалось одновременно измерить содержание магния и кремния в атмосфере планеты за пределами Солнечной системы. Наблюдения показали, что соотношение магния и кремния на WASP-189b практически совпадает с пропорцией этих элементов в её родительской звезде. Этот результат стал первым прямым наблюдательным подтверждением широко используемого предположения о химической связи между звёздами и их планетами, открывая новый способ изучения происхождения и эволюции планет.
«Эти открытия демонстрируют способность Gemini помогать нам понимать характеристики удивительного многообразия экзопланет в нашем солнечном окружении, — говорит Крис Дэвис, программный директор NSF по NOIRLab. — Такие открытия возможны только благодаря передовым инструментам Gemini».
Астрономы полагают, что гигантские планеты, подобные WASP-189b, формировались в огромных дисках из газа и пыли вокруг молодых звёзд. Эти структуры, называемые протопланетными дисками, служат источником материала для образования планет. Считается, что химический состав внешней атмосферы гигантской планеты сохраняет следы среды, в которой она формировалась. Поскольку звёзды и окружающие их диски происходят из одного облака вещества, учёные давно предполагали, что они содержат схожие пропорции породообразующих элементов. Это соотношение стало важным инструментом для предсказания состава каменистых экзопланет, однако до сих пор предположение подтверждалось в основном данными о Солнечной системе. Открытие WASP-189b предоставило недостающее наблюдательное доказательство, укрепив научную основу для использования химии звёзд при изучении материалов, из которых формируются далёкие планеты.
«WASP-189b даёт нам столь необходимую наблюдательную опору в понимании формирования землеподобных планет, поскольку предлагает измеримую величину, подтверждающую предполагаемое сходство состава звезды и доли каменистого материала вокруг родительских звёзд, используемого для образования планет», — отмечает Санчес. Последствия этого открытия выходят за рамки понимания сборки планет. Данная химическая связь важна и для астробиологии, изучающей возможность жизни за пределами Земли и условия, которые могут её поддерживать. Анализируя элементы в звезде, астрономы могут оценить относительное количество породообразующих материалов, доступных её планетам. Эти материалы влияют на внутреннюю структуру планеты, геологическую активность и химическую среду, что в свою очередь определяет, могут ли сложиться условия, пригодные для жизни. Земля служит знакомым примером: элементы, из которых состоит наша планета, определяют такие процессы, как тектоника плит, генерация защитного магнитного поля и поступление необходимых химических веществ в атмосферу, океаны и почву. В совокупности эти процессы создают среду, позволяющую жизни процветать. По мере того как исследователи стремятся к более детальному изучению меньших каменистых экзопланет, установление надёжной связи между химией звезды и составом планеты становится всё более важным. Результаты WASP-189b — значительный шаг в этом направлении.
Для получения таких измерений требуются инструменты, способные различать чрезвычайно тонкие детали в свете, собранном от далёких планетных атмосфер. По словам исследователей, необходимая спектральная разрешающая способность для такого анализа в настоящее время доступна только с помощью наземных телескопов. «Наше исследование демонстрирует способность наземных высокоразрешающих спектрографов определять такие важные вещества, как магний и кремний — два элементарных строительных блока, из которых формируются каменистые планеты, — говорит соавтор исследования Майкл Лайн, доцент Университета штата Аризона. — Эта развивающаяся возможность открывает совершенно новое измерение в изучении атмосфер экзопланет». Команда рассчитывает, что будущие наблюдения с использованием нескольких длин волн и столь же точных приборов позволят обнаружить более широкий спектр элементов в атмосферах экзопланет. Составление более полной картины их химического состава может дать дополнительные ключи к пониманию того, как формируются планеты, как они меняются со временем и какие условия могут благоприятствовать обитаемости. Связав химию далёкой планеты с химией её звезды, астрономы получили новые доказательства в поддержку принципа, который может помочь в поиске потенциально обитаемых миров по всей галактике.