Koliko velik može biti planet? Webb otkrio tajnu nastanka planeta poput Jupitera

Plinoviti divovi su neobični svjetovi – golemi planeti sastavljeni uglavnom od helija i vodika koji, unatoč gustim jezgrama, nemaju čvrstu površinu na koju bi se moglo stati. Dok u našem Sunčevom sustavu tu ulogu igraju Jupiter i Saturn, naša je galaksija prepuna egzoplaneta koji su višestruko veći od njih. Neki su toliko masivni da brišu granicu između planeta i smeđih patuljaka, onih “neuspjelih zvijezda” koje nisu uspjele pokrenuti fuziju vodika.

Upravo ta granica muči astronome: kako ti giganti uopće nastaju? Je li riječ o “akreciji jezgre”, procesu u kojem čvrsta jezgra polako raste privlačeći stijenje i led dok ne postane dovoljno masivna da zarobi okolni plin, scenarij po kojem su nastali Jupiter i Saturn? Ili je posrijedi “gravitacijska nestabilnost”, dramatičniji proces u kojem se oblak plina oko zvijezde naglo urušava u masivne objekte?

Odgovor na ovo pitanje stigao je zahvaljujući Svemirskom teleskopu James Webb (JWST). Tim istraživača predvođen Sveučilištem u Kaliforniji San Diego (UC San Diego) iskoristio je njegove moćne instrumente za analizu sustava HR 8799, a rezultati objavljeni u časopisu Nature Astronomy iznenadili su znanstvenu zajednicu.

Sustav koji prkosi pravilima

Sustav HR 8799, smješten u zviježđu Pegaz na udaljenosti od 133 svjetlosne godine, prava je astronomska zagonetka. Riječ je o svojevrsnoj uvećanoj verziji našeg Sunčevog sustava: oko zvijezde kruže četiri planeta, no svaki od njih je pravi teškaš, s masom pet do deset puta većom od Jupiterove.

Ono što ovaj sustav čini posebnim su ekstremne udaljenosti. Najbliži planet svojoj zvijezdi udaljen je čak 15 astronomskih jedinica, što je 15 puta dalje nego što je Zemlja od Sunca, dok se najdalji nalazi na čak 70 astronomskih jedinica.

Upravo su te goleme udaljenosti i mase nagnale astronome da posumnjaju u klasične teorije. Prema izvornim modelima formiranja planeta, temeljenima na našem sustavu, akrecija jezgre na takvim udaljenostima ne bi trebala biti moguća. Planeti jednostavno ne bi imali dovoljno vremena narasti do takvih dimenzija prije nego što bi zvijezda svojim zračenjem otpuhala disk materijala iz kojeg se hrane.

Kako bi riješili ovaj misterij, znanstvenici su se okrenuli spektroskopiji, analizi svjetlosti koja otkriva kemijski sastav dalekih svjetova. Prije ere teleskopa Webb, astronomi su se oslanjali na zemaljske teleskope tražeći vodu i ugljični monoksid. No, pokazalo se da molekule bogate ugljikom i kisikom nisu pouzdani svjedoci prošlosti jer je teško utvrditi njihovo točno podrijetlo.

Zato su istraživači promijenili taktiku. Umjesto “hlapljivih” spojeva, potražili su stabilnije elemente, takozvane vatrostalne tvari, poput sumpora. Sumpor se u protoplanetarnom disku nalazi isključivo u krutom stanju, zarobljen u zrncima prašine. Njegova prisutnost u atmosferi plinovitog diva stoga je dokaz da je planet nastao akrecijom jezgre, gutanjem čvrste tvari, a ne naglim urušavanjem plina.

Sumpor kao ključni dokaz

“Svojom neviđenom osjetljivošću, JWST nam omogućuje najdetaljnije proučavanje atmosfera ovih planeta. Detekcijom sumpora možemo zaključiti da su planeti sustava HR 8799 vjerojatno nastali na sličan način kao Jupiter, unatoč tome što su pet do deset puta masivniji, što je bilo potpuno neočekivano”, objašnjava Jean-Baptiste Ruffio, znanstvenik s UC San Diego i prvi koautor rada.

Sustav HR 8799 idealan je laboratorij jer je relativno mlad, star je tek oko 30 milijuna godina, za razliku od našeg koji broji 4,6 milijardi. Mladi planeti su još uvijek vrući i sjajni, što ih čini lakšim metama za Webbov spektrograf visoke rezolucije.

Po prvi put, astronomi su uspjeli detektirati fine potpise rijetkih molekula u atmosferama triju unutarnjih divova ovog sustava. No, zadatak je bio tehnički iznimno zahtjevan. Planeti su oko 10.000 puta bljeđi od svoje matične zvijezde, a Webbov instrument nije izvorno dizajniran za ovakvu vrstu “lova” na signale.

Ruffio je morao razviti nove tehnike obrade podataka kako bi izvukao slabašan signal, dok je Jerry Xuan sa Sveučilišta UCLA izradio napredne atmosferske modele. “Kvaliteta podataka s JWST-a je doista revolucionarna i postojeći modeli jednostavno nisu bili dovoljni. Morao sam iterativno poboljšavati kemiju i fiziku u modelima kako bih shvatio što nam podaci govore”, ističe Xuan. “Na kraju smo detektirali nekoliko molekula, neke po prvi put, uključujući sumporovodik.”

Tim je pronašao nedvojbene dokaze sumpora u trećem planetu sustava, HR 8799 c, iako vjeruju da je prisutan na sva tri unutarnja planeta. Dodatna potvrda stigla je u obliku obogaćenosti teškim elementima poput ugljika i kisika, kojih u planetima ima više nego u samoj zvijezdi, što je klasičan potpis formiranja planeta.

“Ovo pokazuje da su stariji modeli akrecije jezgre zastarjeli”, zaključuje profesorica Quinn Konopacky s UC San Diego. “Novi modeli sugeriraju da plinoviti divovi ipak mogu formirati čvrste jezgre vrlo daleko od svoje zvijezde.”

Ruffio napominje da je HR 8799 zasad jedinstven kao jedini snimljeni sustav s četiri masivna plinovita diva, no pitanje granica ostaje otvoreno. “Pitanje je: koliko velik planet može biti? Može li planet biti 20 ili 30 puta masivniji od Jupitera i još uvijek nastati kao planet? Gdje točno prestaje formiranje planeta, a počinje rađanje smeđeg patuljka?”