Ідея, що планети успадковують хімічний склад зірок, з яких вони утворилися, довгий час залишалася теоретичним припущенням без прямих спостережень. Використовуючи спектрограф на телескопі Gemini South у Чилі, астрономи вперше отримали таке підтвердження. Об'єктом дослідження став WASP-189b — ультрагарячий юпітер, чия розжарена атмосфера дозволила «побачити» газоподібні магній і кремній.

Результат, опублікований у Nature Communications, дає планетологам перший емпіричний доказ зв'язку, на якому базуються майже всі сучасні моделі формування скелястих планет.

WASP-189b: полігон для важких елементів

WASP-189b розташований за ~320 світлових років у сузір'ї Терезів. Це газовий гігант класу ультрагарячих юпітерів (UHJ) — планет, що обертаються настільки близько до своїх зірок, що температура їхньої атмосфери сягає рівнів, за яких випаровуються навіть важкі, скелеутворювальні елементи: магній, кремній, залізо.

Саме ця особливість робить WASP-189b зручним об'єктом для спектроскопії — методу розкладання світла на складові довжини хвиль для виявлення хімічних елементів. У холодніших планетах ці елементи ховаються у хмарах або конденсуються у тверді частинки, недоступні для аналізу. В атмосфері WASP-189b вони перебувають у газоподібному стані й лишають чіткі спектральні відбитки.

IGRINS на Gemini South: два елементи виміряно одночасно

Команда під керівництвом Хорхе Антоніо Санчеса, аспіранта Аризонського університету (ASU), спостерігала WASP-189b за допомогою спектрографа IGRINS (Immersion GRating INfrared Spectrograph), встановленого на телескопі Gemini South у 2022-2023 роках як гостьовий інструмент. Високий спектральний розділ приладу дозволив уперше одночасно виявити магній і кремній в атмосфері однієї екзопланети.

Дані показали: співвідношення магнію до кремнію у WASP-189b точно збігається з відповідним співвідношенням у його зірки-господаря. Раніше подібний зв'язок перевіряли лише на прикладі тіл Сонячної системи — тепер він отримав підтвердження за межами нашої системи.

WASP-189b дає нам вкрай потрібний спостережний якір у розумінні формування землеподібних планет, оскільки пропонує вимірювану величину, яка підтверджує припущену подібність складу зірки й пропорції скелястого матеріалу навколо неї, використаного для формування планет.Jorge Antonio Sanchez, Arizona State University

Сам інструмент IGRINS уже залишив Gemini South і повернувся до University of Texas at Austin, де базується. Його наступник — IGRINS-2 — тим часом уже працює як штатний інструмент телескопа Gemini North на Гаваях.

Від складу зірки до геохімії планет

Гарячі гіганти на кшталт WASP-189b, як вважається, формують зовнішній газовий шар з речовини протопланетного диска — того самого залишку газопилової хмари, з якої народжується і сама зірка. Тому логічно, що склад диска, а отже й планет, повторює склад зірки: обидва утворилися з одного первинного матеріалу.

Це припущення десятиліттями лежить в основі моделей формування скелястих планет, а також астробіологічних оцінок придатності світів для життя. Магній, кремній та залізо визначають геохімію планети: від них залежать магнітне поле, тектоніка плит і вивільнення хімічних сполук, необхідних для життя, — саме так, як це відбувається на Землі.

Якщо співвідношення елементів у планеті справді успадковується від зірки, то звичайна зоряна спектроскопія — метод, доступний навіть для тьмяних і малих зірок — стає практичним інструментом оцінки геохімічних умов на планетах, які самі по собі надто малі для прямого спектрального аналізу.

Співавтор дослідження Майкл Лайн (ASU) зазначає, що для таких вимірювань потрібне надвисоке спектральне розділення, яке наразі забезпечують лише наземні телескопи. Команда планує продовжити спостереження WASP-189b та подібних об'єктів на різних довжинах хвиль, щоб розширити перелік виявлених елементів і краще зрозуміти умови, що супроводжують народження планет.