Planety tworzą się w dyskach protoplanetarnych, które wirują wokół protogwiazdy podczas ich końcowego formowania się.
Chociaż wykonano zdjęcia kilkudziesięciu takich dysków, do tej pory udało się uchwycić zaledwie dwie planety w procesie formowania. Teraz astronomowie skupiają swoją uwagę na dyskach protoplanetarnych, wykorzystując potężne instrumenty na pokładzie Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba. Ich celem jest odkrycie wczesnych wskazówek dotyczących procesu formowania się planet oraz zrozumienie, w jaki sposób planety te oddziałują ze swoim macierzystym dyskiem.
Trzy badania prowadzone przez naukowców z Uniwersytetu Michigan, Uniwersytetu Arizony i Uniwersytetu Wiktorii połączyły obrazy JWST z wcześniejszymi obserwacjami wykonanymi przez Kosmiczny Teleskop Hubble’a i Atacama Large Millimeter Array (ALMA). Na podstawie tych obserwacji pomocniczych, zespół korzystał z JWST do badania dysków protoplanetarnych HL Tauri, SAO 206462 i MWC 758, mając nadzieję na wykrycie ewentualnych planet w trakcie formowania się.
W artykułach opublikowanych w czasopiśmie The Astronomical Journal naukowcy połączyli wcześniej niewidziane interakcje między dyskiem protoplanetarnym a otoczką gazu i pyłu otaczającą młode gwiazdy w centrum dysków protoplanetarnych.
Złapać planetę
Badanie prowadzone przez naukowców z Uniwersytetu Michigan pod kierownictwem astronoma Gabriele Cugno skierowało Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba na dysk otaczający protogwiazdę o nazwie SAO 206462. Naukowcy potencjalnie zidentyfikowali tam kandydatkę na planetę w trakcie formowania się w dysku protoplanetarnym – jednak nie była to planeta, którą spodziewali się znaleźć.
Kilka symulacji sugeruje, że wewnątrz dysku powinna znajdować się masywna, duża gorąca i jasna planeta. Oznacza to, że albo planeta jest znacznie chłodniejsza niż nam się wydaje, albo może być przesłonięta przez jakiś materiał, który uniemożliwia nam jej dostrzeżenie – powiedział Cugno, również współautor wszystkich trzech artykułów. To, co znaleźliśmy, jest innym kandydatem na planetę, ale nie możemy stwierdzić ze 100% pewnością, czy jest to planeta, czy słaba gwiazda tła lub galaktyka zanieczyszczająca nasz obraz. Przyszłe obserwacje pomogą nam zrozumieć, na co dokładnie patrzymy.
Astronomowie wcześniej obserwowali dysk za pomocą HST, Teleskopu Subaru, Bardzo Dużego Teleskopu oraz ALMA. Te obserwacje wykazały, że dysk składa się z dwóch wyraźnych spiral, które prawdopodobnie zostały wywołane przez formującą się planetę. Planeta, którą zespół oczekiwał odnaleźć, należy do kategorii gazowych olbrzymów, czyli planet głównie zbudowanych z wodoru i helu, podobnie jak Jowisz w Układzie Słonecznym.
Problem polega na tym, że cokolwiek próbujemy wykryć, jest setki tysięcy, jeśli nie miliony razy słabsze niż gwiazda – powiedział Cugno. To jak próba wykrycia małej żarówki obok latarni morskiej.
Aby szczegółowo zbadać dysk, zespół skorzystał z instrumentu na JWST o nazwie NIRCam. Kamera ta jest zdolna do detekcji światła podczerwonego, a astronomowie wykorzystali ten instrument, stosując technikę zwaną kątowym obrazowaniem różnicowym. Ta technika pozwala na wykrywanie zarówno promieniowania cieplnego planety, co zrobił zespół w celu znalezienia kandydata na planetę, jak i specyficznych linii emisyjnych związanych z materiałem opadającym na planetę i uderzającym w jej powierzchnię z dużą prędkością.
Kiedy materia spada na planetę, dochodzi do wstrząsów na powierzchni i wydzielania linii emisyjnej o określonej długości fali – powiedział Cugon. Używamy zestawu wąskopasmowych filtrów, aby spróbować wykryć tę akrecję. Robiono to już wcześniej z Ziemi na długościach fal optycznych, ale po raz pierwszy zrobiono to w podczerwieni za pomocą JWST.
Obrazowanie „surowca” planet
Artykuł Uniwersytetu Wiktorii, prowadzony przez studentkę astronomii Camryn Mullin, opisuje obrazy dysku otaczającego młodą gwiazdę HL Tau.
HL Tau jest najmłodszym układem w naszym badaniu i wciąż otoczony jest gęstym napływem pyłu i gazu opadającego na dysk – powiedziała Mullin, współautorka wszystkich trzech badań. Byliśmy zdumieni poziomem szczegółowości, z jakim mogliśmy zobaczyć ten otaczający materiał za pomocą JWST, ale niestety przesłania on wszelkie sygnały pochodzące od potencjalnych planet.
Dysk HL Tau znany jest z posiadania kilku pierścieni i luk w skali Układu Słonecznego, w których mogą znajdować się planety.
Chociaż istnieje wiele dowodów na proces formowania się planet, HL Tau jest zbyt młoda i zawiera zbyt wiele pyłu, aby móc bezpośrednio obserwować planety – oświadczył Jarron Leisenring, główny badacz kampanii obserwacyjnej mającej na celu poszukiwanie formujących się planet oraz astronom z University of Arizona Steward Observatory. Rozpoczęliśmy już badanie innych młodych układów gwiazdowych ze znanymi planetami, aby uzyskać pełniejszy obraz sytuacji.
Jednakże, zaskakująco dla zespołu, JWST odkrył nieoczekiwane szczegóły dotyczące innej cechy: otoczki protogwiazdowej, która stanowi gęsty strumień pyłu i gazu otaczający młodą gwiazdę, która dopiero zaczyna się formować, według Leisenringa. Pod wpływem siły grawitacji materia z ośrodka międzygwiazdowego opada do wewnątrz na gwiazdę i dysk, gdzie stanowi surowiec dla planet i ich prekursorów.
W trakcie badania prowadzonego w Arizonie pod kierownictwem Kevina Wagnera, zbadano dysk protoplanetarny MWC 758. Podobnie jak w przypadku SAO 206462, wcześniejsze obserwacje dokonane przez zespół z Arizony ujawniły spiralne ramiona formujące się w dysku, co sugeruje obecność masywnej planety krążącej wokół gwiazdy macierzystej.
Podczas ostatnich obserwacji nie wykryto żadnych nowych planet w dysku, jednak naukowcy uważają, że osiągnięta czułość jest przełomowa, ponieważ pozwala na nałożenie najbardziej rygorystycznych jak dotąd ograniczeń na ewentualne planety. Po pierwsze, wyniki wykluczają istnienie dodatkowych planet w zewnętrznych regionach MWC 758, co jest zgodne z istnieniem pojedynczej olbrzymiej planety, która generuje spiralne ramiona.
Brak wykrytych planet we wszystkich trzech układach wskazuje, że planety tworzące luki i ramiona spiralne mogą być albo zbyt blisko swoich gwiazd macierzystych, albo zbyt słabe, aby zostały zaobserwowane przez JWST – powiedział Wagner, współautor wszystkich trzech badań. Jeśli to drugie jest prawdą, sugeruje to, że te planety mają stosunkowo niską masę, niską temperaturę, są otoczone pyłem lub kombinacją tych trzech czynników – co najprawdopodobniej ma miejsce w przypadku MWC 758.
Poszukiwania formujących się planet trwają
Uchwycenie planet w trakcie ich formowania ma znaczenie, ponieważ astronomowie mogą uzyskać informacje nie tylko o procesie formowania, ale także o tym, w jaki sposób pierwiastki chemiczne są rozprowadzane w całym układzie planetarnym.
Tylko około 15% gwiazd podobnych do Słońca ma planety takie jak Jowisz. Bardzo ważne jest, aby zrozumieć, w jaki sposób powstają i ewoluują oraz udoskonalić nasze teorie – powiedział Michael Meyer, astronom z UM i współautor wszystkich trzech badań. Niektórzy astronomowie uważają, że te gazowe olbrzymy regulują dostarczanie wody do planet skalistych formujących się w wewnętrznych częściach dysków.”
Wiedza na temat wpływu gazowych olbrzymów na kształtowanie się tych dysków pomoże astronomom zrozumieć charakterystyki oraz ewolucję dysków protoplanetarnych, które następnie prowadzą do powstania planet skalistych podobnych do Ziemi – stwierdził Meyer.
Zasadniczo na każdym dysku, który obserwowaliśmy z wystarczająco wysoką rozdzielczością i czułością, widzieliśmy duże struktury, takie jak szczeliny, pierścienie i, w przypadku SAO 206462, spirale – powiedział Cugno. Większość, jeżeli nie wszystkie z tych struktur można wytłumaczyć formowaniem się planet oddziałujących z materiałem dysku, ale istnieją też inne wyjaśnienia, które nie wymagają obecności planet olbrzymów.
Jeżeli w końcu uda nam się zobaczyć te planety, będziemy mogli połączyć niektóre struktury formowania z właściwościami innych układów na znacznie późniejszych etapach. Możemy wreszcie połączyć kropki i zrozumieć, jak planety i układy planetarne ewoluują jako całość.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
- U-M astronomers conduct first search for forming planets with new space telescope
- JWST/NIRCam Imaging of Young Stellar Objects. I. Constraints on Planets Exterior to the Spiral Disk Around MWC 758
- JWST/NIRCam Imaging of Young Stellar Objects. II. Deep Constraints on Giant Planets and a Planet Candidate Outside of the Spiral Disk Around SAO 206462
- JWST/NIRCam Imaging of Young Stellar Objects. III. Detailed Imaging of the Nebular Environment around the HL Tau Disk
Źródło: Uniwersytet Michigan
Na ilustracji: Wizja artystyczna ukazująca powstawanie gazowego olbrzyma osadzonego w dysku pyłowo-gazowym w pierścieniu pyłowym wokół młodej gwiazdy. Źródło: ESO/L. Calçada
