Jak zważyć planetę, której nie widać z odległości wielu lat świetlnych? Astronomowie mogą znać odpowiedź — i polega ona na „czytaniu między pierścieniami”, czyli jasnych, pięknych strukturach pyłowych, które nowonarodzone egzoplanety tworzą wokół swoich młodych gwiazd.
Planety na ogół rodzą się z pyłu, gazu i drobnych fragmentów zwanych „planetesymalami”, które otaczają młode gwiazdy. W rezultacie, w swojej względnej młodości, światy te nadal są osadzone w materiale urodzeniowym, wirującym w strukturach przypominających płyty, zwanych dyskami protoplanetarnymi. Jednak ostatnie obserwacje ujawniły, że gdy te młode egzoplanety krążą wokół swoich gwiazd macierzystych, wycinają również pasy w tym dysku gazu i pyłu.
Chociaż takie pierścienie zostały użyte do określenia obecności egzoplanety wokół gwiazd nowe badania sugerują sposób wykorzystania tych rowków do faktycznej oceny charakterystyki egzoplanet.
„Od dawna rozumiemy, że pierścienie mogą powstać ze skoncentrowanego pyłu gromadzącego się tuż poza orbitami młodych, osadzonych planet, ale jak dotąd nie byliśmy w stanie powiązać cech tych pierścieni z masami planet” – stwierdziła liderka zespołu Amena Faruqi z Grupy Astronomii i Astrofizyki na Uniwersytecie w Warwick w Wielkiej Brytanii. oświadczenie. „Dzięki czytaniu słów „między pierścieniami” znaleźliśmy sposób na zrekonstruowanie mas planet tworzących pierścienie, nawet jeśli planety te są zbyt słabe lub zbyt osadzone, aby można je było obserwować bezpośrednio.
„Te jasne pierścienie to nie tylko piękne struktury – to w zasadzie odciski palców planet”.
Badanie zapylonego układu gwiezdnego
Pierwszym krokiem podjętym przez Faruqi i współpracowników było wykorzystanie symulacji komputerowych do oceny, w jaki sposób masy egzoplanet utworzą odrębne kształty pierścieni w dyskach protoplanetarnych. Odkryli, że szerokość pierścieni pyłowych i położenie najjaśniejszego punktu w tym pierścieniu mają kluczowe znaczenie w ocenie cech zamaskowanych egzoplanet.
Co ciekawe, związek między masą planety a szczytową jasnością tworzonego przez nią pierścienia pyłowego utrzymuje się niezależnie od czego długość fali światła, w jakim system jest obrazowany – a także niezależnie od wielkości ziaren pyłu w pierścieniu. Oznacza to, że astronomowie nie muszą znać dokładnych warunków wokół młodej gwiazdy, aby ocenić masę jej egzoplanet.
Naukowcy przetestowali swoją nową technikę, stosując ją w układzie planetarnym znajdującym się około 370 lat świetlnych od nas, zwanym PDS 70, który astronomowie badali za pomocą sondy Duży układ milimetrowy/submilimetrowy Atacama (ALMA), układ 66 anten radiowych zlokalizowanych w północnym Chile.
„Jedną z mocnych stron tej pracy jest to, że nie ogranicza się ona do teorii – mogliśmy wykorzystać wyniki symulacji i zastosować je bezpośrednio do rzeczywiście obserwowanych systemów” – stwierdziła w oświadczeniu Jessica Speedie z Massachusetts Institute of Technology (MIT). „W szczególności wykorzystanie systemu PDS 70 jako laboratorium obserwacyjnego umożliwiło rzeczywistą weryfikację podejścia, dając nam pewność, że metody te są rzeczywiście gotowe do szerokiego zastosowania tak szybko, jak to możliwe”.
PDS 70 była dla zespołu przydatnym obiektem testowym, ponieważ posiada co najmniej dwie egzoplanety, PDS 70 b i PDS 70 c, i została bezpośrednio sfotografowana. Dzięki tej technice oszacowano masę PDS 70 c zgodną z obecnymi szacunkami, wynoszącą około 7,5 masy Jowisza. Wyniki zespołu dostarczyły także zaskakujących informacji na temat procesów towarzyszących powstawaniu planet, a także postawiły pytania, na które astronomowie chętnie odpowiedzą.
„Kolejnym uderzającym wynikiem symulacji jest to, że w typowych dyskach powstające planety o większej masie mogą uwięzić w tych pierścieniach pył o masie aż 20 razy większej od masy Ziemi” – powiedział w oświadczeniu Ralph Pudritz z Wydziału Fizyki i Astronomii Uniwersytetu McMaster. „To potwierdza obserwacje ALMA, ale rodzi pytanie, dlaczego w uwięzionym pyle i kamyczkach pierścienia nie odkryto nowych planet. „Nasze wyniki sugerują, że pył jest wystarczająco obfity i wystarczająco skoncentrowany, aby potencjalnie zapoczątkować powstawanie planet. To ważne spostrzeżenie, które zainicjuje dalsze obserwacje i teorię”.
Ostatecznie ta nowa technika i jej możliwości w badaniu młodych układów planetarnych mogą również pomóc w zrozumieniu kształtu naszego własnego układu planetarnego około 4,6 miliarda lat temu.
„Najbardziej ekscytuje mnie moment. ALMA dostarcza coraz bardziej szczegółowe obrazy dysków i przyszłe udogodnienia na horyzoncie, nigdy nie było lepszego momentu na opracowanie tych metod” – powiedziała członkini zespołu Farzana Meru z Wydziału Fizyki Uniwersytetu w Warwick. „Połączenie naszej diagnostyki opartej na pyłach z obserwacjami ciśnienia gazu otworzy nowe, potężne okno na ukryte planety kształtujące te dyski i różnorodne układy planetarne, które następnie utworzą”.
Wyniki badań zespołu opublikowano w czwartek (28 maja) w Dziennik astrofizyczny .
