Η σύνθεση και η τροχιά του 29 Cygni b παραπέμπουν σε σχηματισμό μέσω συσσώρευσης σε πρωτοπλανητικό δίσκο.
Πού βρίσκεται το όριο μεταξύ άστρων και των πιο μαζικών πλανητών; Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι μπορεί να εξαρτάται από τον τρόπο που σχηματίστηκαν. Πρόκειται για μια «bottom-up» προσέγγιση, με σταδιακή ανάπτυξη μέσα στο χρόνο, ή για μια «top-down» προσέγγιση, κατά την οποία μια μεγάλη συγκέντρωση αερίου και σκόνης κατακερματίζεται σε μικρότερα, πλανητικού μεγέθους τμήματα;
Αστρονόμοι χρησιμοποίησαν το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb για να μελετήσουν ένα αντικείμενο που ζυγίζει περίπου 15 φορές όσο ο Δίας, το οποίο βρίσκεται ακριβώς στο όριο μεταξύ των δύο διαδικασιών. Διαπίστωσαν ότι το αντικείμενο, γνωστό ως 29 Cygni b, πιθανότατα σχηματίστηκε από κάτω προς τα πάνω (bottom-up) και όχι από πάνω προς τα κάτω. Με άλλα λόγια, σχηματίστηκε σαν πλανήτης, όχι σαν άστρο.
Πλανήτες, όπως του Ηλιακού μας Συστήματος, σχηματίζονται μέσα από μια bottom-up διαδικασία, κατά την οποία μικρά κομμάτια βράχου και πάγου συσσωματώνονται και μεγαλώνουν σταδιακά. Όμως όσο πιο μαζικός είναι ένας πλανήτης, τόσο πιο δύσκολο είναι να εξηγηθεί ο σχηματισμός του με αυτόν τον τρόπο.
Οι αστρονόμοι που χρησιμοποίησαν το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb για να εξετάσουν το 29 Cygni b, ένα αντικείμενο περίπου 15 φορές πιο μαζικό από τον Δία, που περιφέρεται γύρω από ένα κοντινό άστρο, βρήκαν πολλαπλές αποδείξεις ότι το 29 Cygni b σχηματίστηκε πράγματι μέσα από αυτή τη bottom-up διαδικασία, ρίχνοντας νέο φως στο πώς σχηματίζονται οι πιο μαζικοί πλανήτες. Η σχετική εργασία δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Astrophysical Journal Letters.
Η διαδικασία σχηματισμού πλανητών θεωρείται ότι συμβαίνει μέσα σε τεράστιους δίσκους αερίου και σκόνης γύρω από άστρα, μέσω συσσώρευσης υλικού (accretion). Η σκόνη συγκολλάται σε μεγαλύτερα σώματα, τα οποία συγκρούονται και μεγαλώνουν όλο και περισσότερο, σχηματίζοντας πρωτοπλανήτες και τελικά πλανήτες. Οι μεγαλύτεροι στη συνέχεια, συλλέγουν αέριο και φτάνουν στο μέγεθος του Δία. Καθώς χρειάζεται περισσότερος χρόνος για τον σχηματισμό αέριων γιγάντων, και ο δίσκος πλανητογόνου υλικού τελικά εξατμίζεται και εξαφανίζεται, τα πλανητικά συστήματα καταλήγουν να έχουν πολύ περισσότερους μικρούς πλανήτες από ό,τι μεγάλους.
Αντίθετα, τα άστρα σχηματίζονται όταν ένα τεράστιο νέφος αερίου κατακερματίζεται και κάθε κομμάτι καταρρέει υπό το δικό του βαρυτικό πεδίο, μικραίνοντας και πυκνώνοντας. Μια παρόμοια διαδικασία κατακερματισμού θα μπορούσε θεωρητικά να συμβεί και μέσα σε πρωτοπλανητικούς δίσκους. Έτσι θα μπορούσε να εξηγηθεί γιατί ορισμένα αντικείμενα πολύ μεγάλης μάζας, βρίσκονται δισεκατομμύρια χιλιόμετρα μακριά από το μητρικό τους άστρο, σε περιοχές όπου ο πρωτοπλανητικός δίσκος θα ήταν υπερβολικά αραιός για να επιτρέψει τη συσσώρευση.
Το 29 Cygni b βρίσκεται στο όριο μεταξύ αυτών που μπορούν να εξηγηθούν από τους δύο διαφορετικούς μηχανισμούς. Ζυγίζει 15 φορές όσο ο Δίας και περιφέρεται γύρω από το άστρο του σε μέση απόσταση 2,4 δισεκατομμυρίων χιλιομέτρων, περίπου ίση με αυτή του Ουρανού στο Ηλιακό μας Σύστημα. Η ερευνητική ομάδα το επέλεξε διότι θα μπορούσε ενδεχομένως να προέκυψε από οποιαδήποτε από τις δύο διαδικασίες.
Το παρατηρησιακό πρόγραμμα της επιστημονικής ομάδας χρησιμοποίησε τη NIRCam (Κάμερα Εγγύς Υπερύθρου) του Webb σε στεμματογραφικό τρόπο λειτουργίας για να απεικονίσει απευθείας το 29 Cygni b. Ο πλανήτης ήταν το πρώτο από τα τέσσερα αντικείμενα του προγράμματος, με μάζες από 1 έως 15 φορές τη μάζα του Δία, και αποστάσεις έως περίπου 15 δισεκατομμυρίων χιλιομέτρων από το άστρο τους.
Οι πλανήτες ήταν όλοι νεαροί και ακόμα θερμοί από τον σχηματισμό τους, με θερμοκρασίες που κυμαίνονταν από περίπου 530 έως 1.000 βαθμούς Κελσίου. Αυτό θα διασφάλιζε ότι η ατμοσφαιρική τους χημεία θα ήταν παρόμοια με αυτή των πλανητών του HR 8799, το σύστημα του οποίου η ομάδα είχε μελετήσει προηγουμένως.
Επιλέγοντας κατάλληλα φίλτρα, η ομάδα εντόπισε σημάδια απορρόφησης φωτός από διοξείδιο του άνθρακα (CO₂) και μονοξείδιο του άνθρακα (CO), γεγονός που τους επέτρεψε να προσδιορίσουν την ποσότητα αυτών των βαρύτερων χημικών στοιχείων, τα οποία οι αστρονόμοι αποκαλούν συλλογικά μέταλλα.
Βρήκαν ισχυρές ενδείξεις ότι το 29 Cygni b είναι εμπλουτισμένο σε μέταλλα σε σχέση με το μητρικό του άστρο, το οποίο μοιάζει στη σύνθεσή του με τον Ήλιο μας. Δεδομένης της μάζας του πλανήτη, η ποσότητα των βαρέων στοιχείων που περιέχει ισοδυναμεί με περίπου 150 Γαίες. Αυτό υποδηλώνει ότι συσσώρευσε μεγάλες ποσότητες στερεών πλούσιων σε μέταλλα, από έναν πρωτοπλανητικό δίσκο.
Η ομάδα χρησιμοποίησε επίσης την συστοιχία CHARA (Κέντρο Αστρονομίας Υψηλής Γωνιακής Ανάλυσης) στη Γη, επιβεβαιώνοντας την ευθυγράμμιση της τροχιάς του πλανήτη με την περιστροφή του άστρου, κάτι αναμενόμενο για ένα αντικείμενο που σχηματίστηκε από πρωτοπλανητικό δίσκο.
Συνολικά, αυτά τα στοιχεία υποδηλώνουν έντονα ότι το 29 Cygni b σχηματίστηκε μέσα σε πρωτοπλανητικό δίσκο μέσω ταχείας συσσώρευσης πλούσιου σε μέταλλα υλικού. Καθώς η ομάδα συγκεντρώνει δεδομένα για τους άλλους τρεις στόχους του προγράμματός της, σχεδιάζει να αναζητήσει ενδείξεις διαφορών σύνθεσης, μεταξύ πλανητών χαμηλότερης και υψηλότερης μάζας. Αυτό αναμένεται να ρίξει περισσότερο φως στον τρόπο σχηματισμού τους.