Granica između planeta i zvijezda na papiru djeluje jasno. Planeti nastaju postupno, u disku plina i prašine oko mlade zvijezde, dok zvijezde nastaju urušavanjem velikih oblaka plina pod vlastitom gravitacijom. No što je neko tijelo masivnije, to je teže odrediti kojem od ta dva scenarija doista pripada. Upravo zato je 29 Cygni b, objekt oko 15 puta masivniji od Jupitera, posebno zanimljiv astronomima. Nova opažanja svemirskog teleskopa James Webb sada snažno upućuju na to da je nastao kao planet, a ne poput zvijezde.
Rezultati istraživanja su objavljeni u časopisu The Astrophysical Journal Letters, a temelje se na izravnim opažanjima i kemijskoj analizi atmosfere tog objekta. 29 Cygni b kruži oko obližnje zvijezde na prosječnoj udaljenosti od oko 2,4 milijarde kilometara, što je otprilike usporedivo s Uranovom udaljenošću od Sunca. Upravo zbog toga, ali i zbog svoje mase, bio je idealan kandidat za provjeru dvaju mogućih načina nastanka.
Tijelo na samoj prijelomnici
Astronomi već dugo smatraju da planeti nastaju u protoplanetarnim diskovima, golemim prstenovima plina i prašine koji okružuju mlade zvijezde.
U tim diskovima sitne se čestice postupno spajaju u sve veća tijela, od zrnaca prašine i kamenčića do protoplaneta i naposljetku planeta. Najmasivniji među njima potom privlače velike količine plina i postaju plinoviti divovi poput Jupitera. Kako za njihov nastanak treba više vremena, a disk u međuvremenu postupno nestaje, u planetarnim sustavima na kraju obično ostaje mnogo više malih nego velikih planeta.
Zvijezde nastaju drukčijim putem. Velik oblak plina može se raspasti na više dijelova, a svaki od njih zatim se urušava pod vlastitom gravitacijom i postaje sve gušći. Sličan proces fragmentacije, barem u teoriji, mogao bi se dogoditi i unutar protoplanetarnog diska. Time se pokušava objasniti postojanje vrlo masivnih tijela koja kruže daleko od svojih matičnih zvijezda, u područjima gdje bi disk trebao biti previše rijedak da bi klasično nakupljanje tvari bilo dovoljno učinkovito.
Upravo tu se smješta 29 Cygni b. Sa svojih 15 Jupiterovih masa nalazi se gotovo na samoj granici između onoga što se još može objasniti planetarnim rastom i onoga što se lakše tumači fragmentacijom plina. Glavni autor rada William Balmer sa Sveučilišta Johns Hopkins i Instituta za znanost o svemirskom teleskopu u Baltimoreu ističe da je riječ o objektu čija je masa gotovo najniža moguća za scenarij fragmentacije, ali i gotovo najviša koju se još može dobiti akrecijom u disku.
Balmerov tim koristio je Webbovu kameru NIRCam u koronagrafskom načinu rada kako bi izravno snimio 29 Cygni b. Taj je objekt bio prvi od četiri cilja u promatračkom programu koji se bavi tijelima mase između jedne i 15 masa Jupitera. Svi odabrani objekti kruže unutar oko 15 milijardi kilometara od svojih zvijezda, a riječ je o mladim i još uvijek vrućim tijelima, s temperaturama između približno 530 i 1000 Celzijevih stupnjeva. To je istraživačima omogućilo da usporede njihovu atmosfersku kemiju s kemijom planeta u sustavu HR 8799, koji je Balmer ranije proučavao.
Tragovi iz atmosfere i orbite
Presudan trag krije se u kemijskom sastavu 29 Cygni b. Istraživači su uz pomoć pažljivo odabranih filtara tražili kako atmosfera tog objekta apsorbira svjetlost na valnim duljinama povezanim s ugljikovim dioksidom i ugljikovim monoksidom. Upravo im je to omogućilo da procijene količinu težih kemijskih elemenata u atmosferi, koje astronomi skupno nazivaju metalima.
Pokazalo se da je 29 Cygni b tim elementima znatno bogatiji od svoje matične zvijezde, čiji je sastav sličan Sunčevu. To je važan nalaz jer upućuje na to da je tijekom nastanka prikupio veliku količinu čvrstog materijala bogatog metalima iz protoplanetarnog diska. Prema procjeni istraživača, ukupna masa tih teških elemenata odgovara masi od oko 150 Zemalja.
Takav kemijski potpis teško se može uskladiti sa scenarijem u kojem je objekt nastao izravnom fragmentacijom plina. Da se formirao na način sličan zvijezdama, njegov bi sastav vjerojatno izgledao drukčije. Ovdje, međutim, opaženi sastav mnogo više odgovara slici vrlo masivnog planeta koji je rastao postupno, nakupljanjem tvari unutar diska oko zvijezde.
Istraživači su zato provjerili još jedan važan pokazatelj, odnos između orbite objekta i osi vrtnje zvijezde oko koje kruži. U tome im je pomogao zemaljski optički niz CHARA, odnosno 2Center for High Angular Resolution Astronomy”. Mjerenja su pokazala da je orbita 29 Cygni b dobro poravnata s osi vrtnje njegove zvijezde, što je upravo ono što bi se očekivalo za tijelo nastalo u protoplanetarnom disku, kao i planeti u Sunčevu sustavu.
Suautor rada Ash Messier, doktorand na Sveučilištu Johns Hopkins, rekao je da su istraživači uspjeli preciznije odrediti orbitu planeta i orijentaciju zvijezde u odnosu na tu orbitu. Pokazalo se da je nagib orbite dobro usklađen s osi vrtnje zvijezde, što dodatno podupire zaključak da je 29 Cygni b nastao u disku oko svoje zvijezde.
Kada se spoje kemijski sastav i orbitalno poravnanje, slika postaje znatno jasnija. Sve upućuje na to da 29 Cygni b nije nastao fragmentacijom plina, nego brzim nakupljanjem materijala bogatog metalima unutar protoplanetarnog diska. Drugim riječima, nastao je kao planet.
Sljedeći korak sada je analiza preostala tri objekta iz istog promatračkog programa. Tim želi utvrditi postoje li razlike u sastavu između manje i više masivnih divovskih planeta. Upravo bi takva usporedba mogla pomoći astronomima da preciznije odrede gdje se doista nalazi granica između najvećih planeta i najmanjih tijela koja nastaju poput zvijezda. Webb je toj raspravi sada dao čvršće uporište nego ikad prije.
Ivan je novinar i autor koji piše o znanosti, svemiru i povijesti. Gostuje kao stručni sugovornik na Science Discovery i History Channelu te piše za Večernji list. Osnivač je Kozmos.hr, prvog hrvatskog portala posvećenog popularizaciji znanosti.
