Одна из величайших загадок планет-гигантов: неудавшаяся звезда помогает ее раскрыть

У астрономов появился способ выяснить, как появляются планеты-гиганты, благодаря обнаружению космическим телескопом Уэбб изотопологов аммиака на неудавшейся звезде. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature, пишет Space.

Изотопы и изотопологи

Ядро атома состоит из протонов и нейтронов, и, хотя число протонов не меняется, количество нейтронов может отличаться. Когда это происходит атом химического элемента превращается в изотоп. Когда изотопы являются частью более крупной молекулы, то они называются изотопологами.

Например, изотоп углерода-12 (12C) содержит 6 протонов и 6 нейтронов, но изотоп углерода-13 (13C) содержит 5 протонов и 7 нейтронов. Это соотношение 12C и 13C обычно используют для получения подробной информации об истории планет, ведь разные изотопы имеют разные свойства и разное происхождение. Хотя в атмосферах планет в Солнечной системе ученые нашли много различных изотопов, пока что в атмосферах экзопланет, вне Солнечной системы, были обнаружены только изотопы 12C и 13C.

Коричневый карлик

С помощью космического телескопа Уэбб астрономы обнаружили изотопологи аммиака в атмосфере холодного коричневого карлика WISE-J1828, который находится на расстоянии 32,5 световых лет от нас. Это очень холодный коричневый карлик, температура которого составляет всего 100 градусов Цельсия.

Коричневые карлики технически не являются планетами, их чаще называют неудавшимися звездами. То есть этот объект не обладает достаточной массой для запуска в ядре термоядерного синтеза водорода, как это делают обычные звезды. Но коричневые карлики являются хорошим аналогом некоторых планет-гигантов.

В атмосфере WISE-J1828 астрономы обнаружили водяной пар, метан и аммиак. Эти компоненты являются основными составляющими атмосфер планет газовых гигантов и коричневых карликов. Но анализ показал наличие двух разных изотопологов аммиака.

Странное соотношение изотопов азота

Аммиак — это соединение, состоящее из атома азота и трех атомов водорода (NH3). В одном изотопологе атом азота, содержащийся в аммиаке, имеет 7 протонов и 7 нейтронов, поэтому он называется 14NH3. В другом изотопологе аммиака содержится 7 протонов и 8 нейтронов, а потому он называется 15NH3.

Исследование показало, что в составе атмосферы коричневого карлика соотношение 14NH3 к 15NH3 находится на уровне 670 к 1. То есть на каждый изотоп азота 15N приходится 670 изотопов 14N.В Солнечной системе это соотношение намного ниже. Например, на Земле оно составляет всего 272 к 1. Считается, что дополнительные изотопы 15N на нашу планету попали в результате падения комет.

Способы формирования планет

Астрономы сейчас считают, что все планеты в Солнечной системе, включая газовых гигантов, таких как Юпитер, сформировались "снизу вверх" во время накопления меньших тел, таких как кометы. Можно ожидать, что объект, который сформировался "сверху вниз" в результате прямого гравитационного сжатия облака молекулярного газа, не подвергся вышеуказанному процессу и будет содержать меньше изотопа 15N.

Коричневые карлики, как и звезды, формируются "сверху вниз" и измерения изотопологов аммиака подтверждают это. Также есть подозрение, что, хотя Юпитер и Сатурн формировались "снизу вверх", некоторые газовые гиганты, особенно те, которые находятся далеко от своей звезды, могли появиться противоположным способом. Если коричневый карлик — это неудавшаяся звезда, то эти планеты-гиганты будут больше похожи на неудавшихся коричневых карликов.

Одна из величайших загадок космоса

Теперь нужно доказать, что эти планеты сформировалась "сверху вниз". Но теперь ученые знают, что изотопологи аммиака, которые действуют как индикаторы такого процесса формирования, можно обнаружить с помощью телескопа Уэбб.

Поэтому астрономы с помощью этой обсерватории планируют изучить гигантские экзопланеты, чтобы определить соотношение изотопологов аммиака. Таким образом может быть раскрыта одна из величайших загадок формирования планет: как на самом деле рождаются планеты-гиганты?