Gemini South подтвердил связь между составом экзопланет и звездами-хозяевами

Это наблюдение важно не само по себе, а потому, что оно проверяет одну из базовых идей современной планетологии. Ученые давно исходят из того, что звезда и окружающий ее протопланетный диск рождаются из одного и того же облака газа и пыли. Из этого следует простая мысль: если и звезда, и будущие планеты возникли из общего вещества, то соотношение ключевых породообразующих элементов у них должно быть похожим. Эту связь давно использовали в расчетах, особенно когда речь шла о каменистых экзопланетах, но за пределами Солнечной системы она оставалась скорее рабочим допущением, чем подтвержденным фактом.

Земля образовалась исключительно из материала внутренней части Солнечной системы: исследование

Объектом для такой проверки выбрали WASP-189b. Это ультрагорячий юпитер, то есть газовый гигант, который обращается очень близко к своей звезде и сильно разогрет ее излучением. Такие планеты особенно удобны для спектроскопических наблюдений. При экстремально высоких температурах в их атмосферах переходят в газовую фазу даже те элементы, которые на более холодных мирах входят в состав твердых минералов. В случае WASP-189b речь идет, в частности, о магнии, кремнии и железе. Благодаря этому астрономы могут искать следы этих веществ не в породах, которые недоступны прямому наблюдению, а в атмосфере планеты.

Наблюдения выполнила международная группа под руководством аспиранта Хорхе Антонио Санчеса. Для работы использовали спектрограф высокого разрешения IGRINS, установленный на телескопе Gemini South в Чили. Этот прибор позволил одновременно измерить содержание магния и кремния в атмосфере планеты. Именно одновременное измерение было здесь принципиально важным, потому что ученым нужно было не просто зафиксировать присутствие отдельных элементов, а надежно определить их соотношение и сравнить его с параметрами звезды.

Спектроскопия, на которой основан этот результат, работает так: свет, прошедший через атмосферу планеты, раскладывают по длинам волн, а затем ищут в полученном спектре характерные признаки конкретных химических элементов. У каждого вещества есть свой набор спектральных линий. Чем выше разрешение прибора, тем точнее можно отделить один сигнал от другого и тем надежнее оценить содержание нужных веществ. Для подобных задач требуется очень высокая спектральная детализация, и пока такие наблюдения особенно хорошо удаются именно на наземных телескопах с соответствующими инструментами.

Главный результат работы состоит в том, что WASP-189b показала такое же соотношение магния и кремния, как и ее звезда. Это первое прямое подтверждение того, что химическая связь между звездой и ее планетами, которую ученые давно закладывали в модели, действительно существует и вне Солнечной системы. До этого исследователи в основном опирались на данные о телах в нашей системе и на теоретические представления о формировании планет.

Значение этого результата выходит далеко за рамки одного горячего газового гиганта. Когда астрономы изучают далекие каменистые планеты, они часто не могут напрямую измерить состав их недр или поверхности. Поэтому им приходится использовать свойства звезды как подсказку. Если соотношение ключевых породообразующих элементов у звезды и планет действительно связано, это дает более надежную основу для выводов о строении экзопланет.

Работа важна и для развития астробиологии. Потенциальная обитаемость планеты зависит не только от температуры или наличия воды, но и от ее внутреннего состава. Породообразующие элементы влияют на геохимические процессы, структуру мантии и коры, характер вулканизма, возможность тектоники плит и свойства магнитного поля. На Земле такие процессы играют заметную роль в поддержании среды, где возможна жизнь: магнитное поле защищает нашу планету от части космического излучения, тектоника влияет на круговорот вещества, а химические взаимодействия между недрами, атмосферой и океанами помогают поддерживать устойчивые условия на больших промежутках времени. Знание состава звезды позволит ученым заранее отбирать системы, подходящие для поиска жизни.

Авторы подчеркивают, что WASP-189b в данном случае удобна именно как пример. Это не значит, что горячие юпитеры похожи на Землю или подходят для жизни. Но их атмосферы позволяют увидеть те химические элементы, которые на более холодных планетах скрыты в твердых породах. Следующий шаг — наблюдать за более сложными экзопланетами и измерять не только магний и кремний, но и более широкий набор элементов.

Иллюстрация International Gemini Observatory/NOIRLab/NSF/AURA/J. Pollard