Одна з найбільших загадок планет-гігантів: невдала зірка допомагає її розкрити

Різні ізотопи азоту в молекулах аміаку на коричневому карлику дають підказку про те, як формуються гігантські планети.

Ізотопи та ізотопологи

Ядро атома складається з протонів і нейтронів, і, хоча число протонів не змінюється, кількість нейтронів може відрізнятися. Коли це відбувається, атом хімічного елемента перетворюється на ізотоп. Коли ізотопи є частиною більшої молекули, то вони називаються ізотопологами.

Наприклад, ізотоп вуглецю-12 (12C) містить 6 протонів і 6 нейтронів, але ізотоп вуглецю-13 (13C) містить 5 протонів і 7 нейтронів. Це співвідношення 12C і 13C зазвичай використовують для отримання детальної інформації про історію планет, адже різні ізотопи мають різні властивості та різне походження. Хоча в атмосферах планет у Сонячній системі вчені знайшли багато різних ізотопів, поки що в атмосферах екзопланет, що за межами Сонячної системи, було виявлено тільки ізотопи 12C і 13C.

Коричневий карлик

За допомогою космічного телескопа Вебб астрономи виявили ізотопологи аміаку в атмосфері холодного коричневого карлика WISE-J1828, який розташований на відстані 32,5 світлових років від нас. Це дуже холодний коричневий карлик, температура якого становить лише 100 градусів Цельсія.

Коричневі карлики технічно не є планетами, їх частіше називають невдалими зірками. Тобто цей об'єкт не має достатньої маси для запуску в ядрі термоядерного синтезу водню, як це роблять звичайні зірки. Але коричневі карлики є хорошим аналогом деяких планет-гігантів.

В атмосфері WISE-J1828 астрономи виявили водяну пару, метан і аміак. Ці компоненти є основними складовими атмосфер планет газових гігантів і коричневих карликів. Але аналіз показав наявність двох різних ізотопологів аміаку.

Дивне співвідношення ізотопів азоту

Аміак — це сполука, яка складається з атома азоту та трьох атомів водню (NH3). В одному ізотополозі атом азоту, що міститься в аміаку, має 7 протонів і 7 нейтронів, тому він називається 14NH3. В іншому ізотополозі аміаку міститься 7 протонів і 8 нейтронів, а тому він називається 15NH3.

Дослідження показало, що в складі атмосфери коричневого карлика співвідношення 14NH3 до 15NH3 перебуває на рівні 670 до 1. Тобто на кожен ізотоп азоту 15N припадає 670 ізотопів 14N. У Сонячній системі це співвідношення набагато нижче. Наприклад, на Землі воно становить лише 272 до 1. Вважається, що додаткові ізотопи 15N на нашу планету потрапили внаслідок падіння комет.

Способи формування планет

Астрономи зараз вважають, що всі планети в Сонячній системі, включно з газовими гігантами, як-от Юпітер, сформувалися "знизу вгору" під час накопичення менших тіл, як-от комети. Можна очікувати, що об'єкт, який сформувався "згори донизу" внаслідок прямого гравітаційного стиснення хмари молекулярного газу, не зазнав вищевказаного процесу і міститиме менше ізотопу 15N.

Коричневі карлики, як і зірки, формуються "зверху донизу" і вимірювання ізотопологів аміаку підтверджують це. Також є підозра, що, хоча Юпітер і Сатурн формувалися "від низу до верху", деякі газові гіганти, особливо ті, що розташовані далеко від своєї зірки, могли з'явитися у протилежний спосіб. Якщо коричневий карлик — це невдала зірка, то ці планети-гіганти будуть більше схожі на невдалих коричневих карликів.

Одна з найбільших загадок космосу

Тепер потрібно довести, що ці планети сформувалася "зверху вниз". Але тепер учені знають, що ізотопологи аміаку, які діють як індикатори такого процесу формування, можна виявити за допомогою телескопа Вебб.

Тому астрономи за допомогою цієї обсерваторії планують вивчити гігантські екзопланети, щоб визначити співвідношення ізотопологів аміаку. Таким чином може бути розкрита одна з найбільших загадок формування планет: як насправді народжуються планети-гіганти?

Як уже писав Фокус, алмазна планета схожа на Землю втратила атмосферу, а потім відростила нову. Астрономи виявили наявність щільної атмосфери на кам'янистій планеті за межами Сонячної системи.