Астрономы давно подозревали, что масса планеты и скорость ее вращения связаны. В нашей Солнечной системе Юпитер и Сатурн являются яркими примерами. Несмотря на свои огромные размеры, оба совершают полный оборот примерно за 10 часов и составляют большую часть общей энергии вращения Солнечной системы.

Чтобы проверить, распространяется ли эта связь за пределы нашего космического соседства, исследователи использовали обсерваторию W. M. Keck на Маунакеа, Гавайи, для изучения большой выборки далеких гигантских миров. Их обзор включал 32 газовых гиганта и коричневых карликов-компаньонов в других звездных системах, в том числе 6 планет больше Юпитера и 25 коричневых карликов-компаньонов.

Наблюдения выявили интригующую тенденцию. При учете таких факторов, как масса, размер и возраст, газовые гиганты, как правило, вращаются быстрее, чем более массивные коричневые карлики. Чтобы усилить свой анализ, исследователи также включили предыдущие измерения вращения из других исследований, создав тщательно отобранный набор данных, включающий 43 звездных/субзвездных компаньона и гигантских планет, а также 54 свободно плавающих коричневых карлика и объекта планетарной массы.

Международную команду возглавили ученые из Центра междисциплинарных исследований и астрофизики (CIERA) Северо-Западного университета. В число соавторов вошли исследователи из Центра астрофизики и космических наук (CASS) Калифорнийского университета в Сан-Диего, Отдела геологических и планетарных наук (GPS) Калтеха, обсерватории W. M. Keck, обсерватории Стюарда, Колледжа оптических наук Джеймса К. Вайанта, Лаборатории реактивного движения НАСА и нескольких других учреждений. Их выводы были опубликованы в The Astronomical Journal.

Многие из исследованных планет вращаются вокруг своих звезд на расстояниях от десятков до сотен астрономических единиц (а.е.), расстояния между Землей и Солнцем. Ученые все еще пытаются определить, как формируются эти далекие миры. Некоторые могут постепенно возникать в дисках газа и пыли, окружающих молодые звезды, в то время как другие могут формироваться в процессе, более похожем на коллапс, который создает сами звезды.

Чтобы исследовать это, исследователи использовали Планетный имиджер и характеризатор Кека (KPIC), специализированный инструмент, способный изолировать свет, идущий непосредственно от этих далеких миров. Когда планета вращается, особенности ее атмосферы вызывают тонкое уширение в ее спектре. Измеряя эти изменения, астрономы могут определить, как быстро вращается объект.

Ведущий автор Дино Чи-Чунь Сюй, исследователь из CIERA, объяснил значение этих измерений в пресс-релизе обсерватории W. M. Keck: «Вращение — это ископаемая запись того, как сформировалась планета. Измеряя, как быстро вращаются эти миры, мы можем начать собирать воедино физические процессы, которые формировали их десятки и сотни миллионов лет назад. С помощью KPIC мы можем обнаружить эти крошечные сигналы, которые раскрывают вращение планеты вокруг других близлежащих звезд. Наши результаты показывают, что как масса планеты, так и отношение массы планеты к массе ее звезды влияют на то, как быстро планета в конечном итоге вращается. Это помогает нам сузить круг физических процессов формирования этих систем».

Гигантская планета обгоняет гораздо более крупного соседа

Один из самых ярких примеров — система HR 8799. Там газовый гигант примерно в 7 раз массивнее Юпитера вращается в шесть раз быстрее, чем коричневый карлик-компаньон, масса которого примерно в 24 раза превышает массу Юпитера.

Исследователи полагают, что разница может быть связана с магнитными взаимодействиями на ранних этапах истории объектов. Более сильное магнитное поле может более интенсивно взаимодействовать с окружающим околопланетным диском, замедляя вращение со временем. В этом случае более массивный коричневый карлик, вероятно, потерял больше своего первоначального вращения из-за своего более сильного магнитного поля.

Полученные данные помогают ученым лучше понять не только далекие планетные системы, но и происхождение нашей собственной Солнечной системы. Сюй сказал: «То, как распределяется угловой момент среди планет, влияет на общую архитектуру планетной системы».