Najnowsze badania wykazały, że olbrzymie, swobodnie dryfujące planety mogą mieć zdolność do tworzenia własnych, miniaturowych układów planetarnych – i to bez potrzeby obecności gwiazdy macierzystej.
W opublikowanych niedawno wynikach, międzynarodowy zespół naukowców, korzystając z danych uzyskanych za pomocą Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST), zbadał młode, izolowane obiekty o masach od 5 do 10 mas Jowisza. Te ciała niebieskie przypominają pod względem fizycznym planety olbrzymy, jednak – w odróżnieniu od nich – nie krążą wokół gwiazdy, lecz przemierzają przestrzeń międzygwiazdową samotnie, jako tzw. swobodnie dryfujące planety (ang. free-floating planets).
Trudności obserwacyjne i pochodzenie obiektów
Obserwacje tego typu planet są wyjątkowo trudne, ponieważ obiekty te emitują głównie promieniowanie podczerwone i są bardzo słabo widoczne w świetle widzialnym. Mimo to stanowią one klucz do zrozumienia fundamentalnych pytań astrofizyki, takich jak mechanizmy powstawania planet i gwiazd.
Obecne badania sugerują, że obiekty te reprezentują najniższe możliwe masy ciał niebieskich, które powstały w wyniku grawitacyjnego zapadania się obłoków molekularnych – podobnie jak gwiazdy. Jednak, w przeciwieństwie do gwiazd, nie osiągają one wystarczającej masy, aby w ich wnętrzu mogły rozpocząć się reakcje syntezy jądrowej, czyli procesy przekształcania wodoru w hel z uwolnieniem energii.
Alternatywnie, możliwy jest również scenariusz, w którym niektóre z tych obiektów pierwotnie powstały jako planety na orbitach gwiazd, ale zostały z nich wyrzucone w wyniku oddziaływań grawitacyjnych – np. podczas dynamicznego rozwoju młodego układu planetarnego.
Ten niewielki obszar Mgławicy Oriona, sfotografowany kamerą NIRCam JWST, ukazuje nie tylko gwiazdy, gaz i pył, ale także obiekty o masie planet, z których pięć znajduje się w układach podwójnych. Są one znane jako JuMBO (Jupiter-Mass Binary Objects) i stanowią około 9% wszystkich obiektów o masie planet w Mgławicy Oriona. Źródło: M.J. McCaughrean i S.G. Pearson, https://doi.org/10.48550/arXiv.2310.03552
Szczegółowe obserwacje z JWST
Zespół badawczy przeanalizował osiem takich obiektów – wszystkie bardzo młode, mające zaledwie kilka milionów lat. Wykorzystano w tym celu dwa z najbardziej zaawansowanych instrumentów na pokładzie Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba: NIRSpec (Near Infrared Spectrograph) oraz MIRI (Mid-Infrared Instrument), które umożliwiają niezwykle precyzyjne obserwacje w zakresie podczerwonym.
Dzięki spektroskopii – czyli analizie rozkładu widma promieniowania – możliwe było uzyskanie danych o składzie chemicznym, temperaturze oraz strukturze otaczających obiekty dysków. Obserwacje realizowane w okresie od sierpnia do października 2024 roku wyróżniały się najszerszym dotąd zakresem widmowym oraz najwyższą czułością pomiarową.
Dyski protoplanetarne wokół planet swobodnych
Wyniki potwierdziły, że badane obiekty mają masy zbliżone do Jowisza. Co ciekawe, sześć z nich wykazuje nadmierną emisję w zakresie podczerwonym – co wskazuje na obecność ciepłego pyłu w ich bezpośrednim otoczeniu. To typowa cecha tzw. dysków protoplanetarnych – spłaszczonych struktur złożonych z gazu i pyłu, w których mogą formować się planety.
Spektroskopia ujawniła również obecność emisji pochodzącej od ziaren krzemianów (minerałów krzemianowych), z wyraźnymi oznakami ich krystalizacji i agregacji – czyli procesów prowadzących do tworzenia się większych cząstek i, potencjalnie, planet skalistych. Choć emisję krzemianów obserwowano wcześniej wokół młodych gwiazd i brązowych karłów (obiektów pośrednich między planetami a gwiazdami), to jest to pierwsze potwierdzone wykrycie takiego zjawiska w przypadku obiektów o masie planetarnej.
Omawiane wyniki uzupełniają wcześniejsze badania zespołu z Uniwersytetu St Andrews, które wykazały, że dyski wokół swobodnie poruszających się planet mogą istnieć przez kilka milionów lat – czyli wystarczająco długo, aby umożliwić proces akrecji i formowanie się planet.
Wygenerowany przez sztuczną inteligencję obraz młodego, swobodnie dryfującego obiektu o masie planetarnej, otoczonego dyskiem pyłowym. Źródło: University of St Andrews
Miniaturowe układy planetarne bez gwiazdy?
Odkrycia te sugerują, że obiekty o masach porównywalnych z Jowiszem mogą tworzyć własne, miniaturowe układy planetarne. Struktury te przypominałyby Układ Słoneczny – lecz byłyby pomniejszone nawet stukrotnie, zarówno pod względem mas, jak i rozmiarów. Choć istnienie takich układów nie zostało jeszcze bezpośrednio potwierdzone, obserwacje JWST dostarczają mocnych przesłanek, że taki scenariusz jest możliwy.
Konsekwencje dla teorii powstawania planet
Te wyniki rozszerzają nasze rozumienie procesów powstawania planet. Pokazują, że budulce planet – pył, lód, gaz – mogą gromadzić się i ewoluować nawet wokół samotnych, pozbawionych gwiazdy obiektów o masach planetarnych. Oznacza to, że formowanie się planet może być procesem znacznie bardziej uniwersalnym, niż wcześniej sądzono – niekoniecznie ograniczonym do układów z gwiazdą centralną.
Więcej informacji: publikacja Belinda Damian et al, Spectroscopy of Free-Floating Planetary-Mass Objects and their disks with JWST, arXiv (2025). DOI: 10.48550/arxiv.2507.05155
Opracowanie: Joanna Molenda-Żakowicz
Na ilustracji: Wizja artystyczna swobodnie dryfującej planety podróżującej przez kosmos. Źródło: NASA/JPL-Caltech/R. Hurt (Caltech-IPAC)
