Сероводород — тот самый газ, который придаёт тухлым яйцам их характерный запах. Но в астрономии он неожиданно оказался источником хороших новостей. Астрономы обнаружили этот газ в атмосферах четырёх гигантских экзопланет, и это открытие помогает понять, как формируются газовые гиганты.
Исследование, проведённое учёными из Университета Калифорния Лос-Анджелес (UCLA) и Университета Калифорния, Сан-Диего (UC San Diego), стало первым случаем обнаружения сероводорода в атмосфере газового гиганта за пределами Солнечной системы.
Кроме того, метод анализа, использованный исследователями, может сыграть важную роль в будущем — например, при поиске признаков жизни на других планетах.
Газовые гиганты с «кризисом идентичности»
Газовые гиганты — такие как Юпитер и Сатурн — состоят в основном из водорода и гелия, окружающих плотное ядро. Но у подобных объектов есть научная проблема: где проходит граница между планетой и звездой?
Планеты формируются из газопылевого диска вокруг молодой звезды. Если объект становится достаточно массивным — примерно в 13 раз тяжелее Юпитера, — внутри него может начаться термоядерная реакция дейтерия.
В этом случае возникает так называемый коричневый карлик — объект, занимающий промежуточное положение между планетой и звездой. Однако астрономы обнаружили и более лёгкие коричневые карлики, что ещё сильнее размывает границу между двумя типами небесных тел.
Как отмечает исследователь Джерри Сюань (Jerry Xuan) из UCLA: «Граница между формированием звёзд и планет в этом диапазоне масс довольно размыта. Определение коричневого карлика как объекта тяжелее 13 Юпитеров во многом условно».
Необычная система HR 8799
Ответы на этот вопрос исследователи нашли в системе HR 8799, расположенной примерно в 133 световых годах от Земли в созвездии Пегаса.
Вокруг этой звезды вращаются четыре гигантские планеты:
- самая лёгкая из них примерно в 5 раз массивнее Юпитера,
- самая тяжёлая — примерно в 10 раз массивнее.
При этом они находятся очень далеко от своей звезды. Ближайшая из них удалена примерно в 15 раз дальше, чем Земля от Солнца. Из-за таких характеристик долгое время оставалось неясно, являются ли эти объекты настоящими планетами или же коричневыми карликами.
Как телескоп Уэбба обнаружил сероводород
Чтобы изучить состав атмосфер этих планет, учёные использовали данные космического телескопа «Джеймс Уэбб» (James Webb Space Telescope). Анализ проводился с помощью спектроскопии — метода, при котором свет раскладывается на спектр.
Каждая молекула оставляет в спектре уникальные «полосы», позволяя точно определить, какие вещества присутствуют в атмосфере. Однако задача была крайне сложной. Планеты примерно в 10 тысяч раз тусклее своей звезды, поэтому их сигнал практически теряется на фоне яркого света. Чтобы извлечь эти слабые данные, исследователь Жан-Батист Руффио (Jean-Baptiste Ruffio) из UCSD разработал новые методы анализа наблюдений.
Почему сероводород оказался ключом к разгадке
Обнаружение сероводорода имеет важное значение для понимания формирования планет.
Сера в атмосфере гигантов системы HR 8799 появилась не из газа, а из твёрдых частиц, существовавших в протопланетном диске вокруг звезды. Во время формирования планеты эти частицы были поглощены растущим телом. Из-за высоких температур в молодой атмосфере они испарились, превратившись в газообразный сероводород.
По словам Джерри Сюаня: «Углерод и кислород можно получить как из газа, так и из льда или твёрдых частиц диска. Но сера — особый случай. На таком расстоянии от звезды она может существовать только в твёрдом виде».
Это означает, что планеты активно поглощали твёрдое вещество во время формирования.
Химический состав, похожий на Юпитер
Интересно, что соотношение элементов — серы, углерода и кислорода — в атмосферах этих планет значительно выше, чем в самой звезде. Похожая картина наблюдается и у гигантов нашей системы — Юпитера и Сатурна.
По мнению учёных, это может означать, что существует универсальный механизм формирования газовых гигантов. «Трудно объяснить одинаковое обогащение углеродом, кислородом, серой и азотом у Юпитера. Но то, что мы видим ту же картину в другой системе, говорит о том, что это может быть естественный процесс формирования планет», — объясняет Сюань.
Где проходит граница между планетой и звездой?
Система HR 8799 уникальна: это единственная известная система, где непосредственно наблюдаются сразу четыре массивных газовых гиганта. Но у астрономов остаётся важный вопрос.
Как отмечает исследователь Жан-Батист Руффио: «Нас интересует, насколько большой может быть планета. Может ли объект в 15, 20 или даже 30 масс Юпитера всё ещё считаться планетой? Где проходит граница между планетой и коричневым карликом?»
Что это значит для поиска жизни
Метод, использованный в исследовании, может помочь и в другой важной задаче — поиске планет, похожих на Землю. Новая техника позволяет визуально и спектроскопически отделять слабый свет планеты от яркого света звезды, что делает возможным более точное изучение атмосфер далёких миров.
Пока такой метод применим главным образом к газовым гигантам. Но по мере развития телескопов и инструментов ситуация может измениться. По словам Джерри Сюаня: «Найти аналог Земли — это своего рода святой Грааль исследований экзопланет. Скорее всего, до этого ещё десятилетия. Но, возможно, через 20–30 лет мы сможем получить первый спектр землеподобной планеты и искать в её атмосфере биосигнатуры — например, кислород или озон».
