Jupiteris gali būti mūsų Saulės sistemos planetų karalius, tačiau kitose Galaktikos žvaigždžių sistemose aplink savo žvaigždes skrieja dar didesnės planetos. Kai kurios jų yra nutolusios milijardus kilometrų nuo savo žvaigždžių – tokiose vietose, kur įprastos planetų formavimosi teorijos sunkiai pateikia aiškų paaiškinimą.

Naujame tyrime mokslininkai nagrinėjo tris masyvias dujines milžines, esančias maždaug už 130 šviesmečių nuo Žemės, ir pagal jų atmosferos cheminę sudėtį bandė išsiaiškinti, kaip susiformuoja tokios milžiniškos planetos.

Aplink „HR 8799“ – F spektro klasės žvaigždę Pegaso žvaigždyne – skrieja keturios žinomos dujinės milžinės. Visos jos itin didelės: jų masė siekia nuo 5 iki 10 Jupiterio masių.

Naudodami vidutinės skiriamosios gebos spektrus, gautus „JWST“ teleskopo „NIRSpec“ prietaisu, tyrėjai detaliai išanalizavo trijų arčiausiai žvaigždės esančių planetų atmosferos sudėtį 3–5 mikrometrų bangos ilgių ruože.

Dujinės milžinės savo mase gali priartėti prie rudųjų nykštukių intervalo. Rudosios nykštukės – tai objektai, kurie trumpam gali vykdyti deuterio sintezę, tačiau astronomai mano, kad jos ir dujinės milžinės susiformuoja iš esmės skirtingais būdais.

Rudosios nykštukės formuojasi panašiai kaip žvaigždės – dėl gravitacinio medžiagos kolapso, tačiau jų masė per maža, kad palaikytų vandenilio sintezę.

Planetų formavimasis dažniausiai aiškinamas branduolio akrecijos modeliu. Pagal jį branduoliai pamažu auga protoplanetiniame diske, kai kieta medžiaga sulimpa į vis didesnius darinius. Kai kurie dideli branduoliai vėliau gali prisitraukti likusias dujas iš savo gimtosios ūko aplinkos ir galiausiai virsti dujinėmis milžinėmis.

Būtent taip dažniausiai aiškinama ir Jupiterio bei Saturno kilmė. Tačiau kyla klausimas, ar toks modelis tinka sistemai, kaip „HR 8799“, kur dar masyvesnės planetos skrieja gerokai didesniais atstumais nuo savo žvaigždės.

Šie atstumai siekia nuo 15 iki 70 astronominių vienetų, tai yra maždaug nuo 2 iki 10 milijardų kilometrų. Kitaip tariant, šios planetos nuo savo žvaigždės yra nutolusios maždaug 15–70 kartų labiau nei Žemė nuo Saulės.

Tokiu atstumu dalis mokslininkų abejoja, ar tokios masyvios ir tolimos planetos apskritai galėjo susiformuoti branduolio akrecijos būdu. Manoma, kad taip toli nuo žvaigždės akrecija vyksta lėčiau, todėl planetoms gali tiesiog nepakakti laiko sukaupti pakankamai medžiagos, kol protoplanetinis diskas išsisklaido. Vienas iš galimų paaiškinimų – kad tokie pasauliai galėjo atsirasti dėl gravitacinio kolapso, panašiai kaip rudosios nykštukės.

Siekdami patikrinti šią idėją, tyrėjai pasitelkė „JWST“ duomenis apie „HR 8799“ planetas ir ieškojo sieros – sunkiau garuojančio elemento, kuris protoplanetiniuose diskuose dažniausiai būna susietas su kietosiomis dalelėmis. Todėl sieros aptikimas planetos atmosferoje leistų manyti, kad formavimosi metu ji kaupė kietąją medžiagą.

„Dėl neprilygstamo jautrumo „JWST“ leidžia itin detaliai tirti šių planetų atmosferas ir suteikia užuominų apie jų formavimosi kelius“, – teigė vienas pagrindinių tyrimo autorių, Kalifornijos universiteto San Diege astronomas Jean-Baptiste Ruffio.

Tyrimo autoriai rado tvirtų vandenilio sulfido pėdsakų „HR 8799 c“ ir „HR 8799 d“ atmosferose, o jų atmosferos modeliai rodo panašų sieros gausėjimą ir visose trijose vidinėse planetose.

„Aptikę sierą galime daryti išvadą, kad „HR 8799“ planetos greičiausiai formavosi panašiai kaip Jupiteris, nors yra 5–10 kartų masyvesnės. To nesitikėjome“, – sakė Jean-Baptiste Ruffio.

Nors šios planetos yra tūkstančius kartų blankesnės už savo žvaigždę, „JWST“ jautrumas leido tyrėjams atskirti silpnus jų signalus nuo ryškios žvaigždės šviesos.

Tam mokslininkai sukūrė sudėtingus planetų atmosferų modelius, kuriuos galėjo koreguoti ir lyginti su stebėjimų duomenimis.

„Galiausiai šiose planetose aptikome kelias molekules, kai kurias – pirmą kartą, įskaitant ir vandenilio sulfidą“, – teigė astronomas ir vienas pagrindinių tyrimo autorių Jerry Xuan iš Kalifornijos universiteto Los Andžele.

Planetų atmosferose nustatytas vienodai padidėjęs sunkiųjų elementų – įskaitant anglį, deguonį ir sierą – kiekis, palyginti su jų motinine žvaigžde. Tai rodo, kad jų formavimosi metu buvo įtraukta daug kietosios medžiagos.

Tyrėjų teigimu, tokį sunkiųjų elementų gausėjimo lygį sunku suderinti su kai kuriais klasikiniais planetų formavimosi modeliais.

„Nėra jokio būdo, kad planetų formavimasis turėtų būti toks efektyvus“, – sakė Mičigano universiteto astronomas Michael Meyer.

Mokslininkams dar reikės ištirti ir kitas sistemas, neapsiribojant vien „HR 8799“, tačiau jau dabar akivaizdu, kad tai, kaip efektyviai susiformavo trys šios sistemos masyvios planetos, kelia daug klausimų.