Astronomowie skatalogowali już blisko cztery tysiące egzoplanet krążących wokół innych gwiazd. Choć nauczyliśmy się wiele o nowo odkrytych światach, wciąż mało wiemy o kolejnych etapach formowania się planet oraz kosmicznym przepisie na odkryte już takie obiekty, jak np. gorące Jowisze, masywne skaliste światy, lodowe planety karłowate, a przyszłości być może także odległe odpowiedniki Ziemi.
Aby odpowiedzieć na te oraz inne intrygujące pytania na temat rodzin planet, zespół astronomów wykorzystujący instrument ALMA przeprowadził jedno z najszerzej zakrojonych badań temat dysków protoplanetarnych. Ten duży program ALMA, zwany Disk Substructures at High Angular Resolution Project (DSHARP), przyniósł oszałamiające obrazy wysokiej rozdzielczości 20 pobliskich dysków protoplanetarnych i dał astronomom nowy wgląd w różnorodność ich właściwości oraz szybkość, z jaką planety mogą powstać.
Według naukowców najbardziej przekonującą interpretacją tych obserwacji jest to, że duże planety, prawdopodobnie pod względem wielkości i składu podobne do Neptuna lub Saturna, formują się znacznie szybciej, niż wskazuje na to obecna teoria. Mają też tendencję do tworzenia się w zewnętrznych obszarach swoich układów słonecznych – w ogromnych odległościach od macierzystych gwiazd. Takie przedwczesne tworzenie się mogłoby także pomóc wyjaśnić, w jaki sposób skaliste, ziemskie światy są w stanie ewoluować i rozwijać się, zachowując swój przypuszczalny autodestrukcyjny okres dorastania.
Celem trwającej cały miesiąc kampanii obserwacyjnej za pomocą instrumentu ALMA było poszukiwanie strukturalnych podobieństw i różnic w dyskach protoplanetarnych. Wyjątkowo ostry obraz ALMA pokazał niewidoczne wcześniej struktury i niespodziewanie skomplikowane wzory. Widać wyraźne szczegóły wokół młodych gwiazd o różnych masach. Najbardziej przekonującą interpretacją tych bardzo różnorodnych właściwości jest to, że niewidoczne planety wchodzą w interakcje z materią dysku.
Najpopularniejsze modele formowania się planet utrzymują, że planety powstają w wyniku stopniowego gromadzenia się pyłu i gazu wewnątrz dysku protoplanetarnego – poczynając od ziaren pyłu, które łączą się tworząc coraz większe skały, aż do pojawienia się planetoid, planetozymali i planet. Ten hierarchiczny proces powinien zająć wiele milionów lat, co sugeruje, że jego wpływ na dyski protoplanetarne byłby wyraźniejszy w starszych układach. Jednak zgromadzone dowody wskazują, że nie zawsze tak jest.
Wcześniejsze obserwacje młodych dysków protoplanetarnych za pomocą instrumentu ALMA (niektóre z nich mają około miliona lat) ujawniły zastanawiające struktury, w tym wyraźne pierścienie i szczeliny, które wydają się być znakami rozpoznawczymi planet. Astronomowie początkowo ostrożnie przypisywali te cechy działaniom planet, ponieważ w grę mógł wchodzić inny, naturalny proces. Zestaw próbek był tak mały, nie można było wyciągnąć żadnych uogólnionych wniosków. Możliwe, że astronomowie obserwowali nietypowe układy. Konieczne było zatem wykonanie więcej obserwacji różnych dysków protoplanetarnych w celu określenia najbardziej prawdopodobnej przyczyny właściwości, które widzieli astronomowie.
Kampania DSHARP została zaprojektowana właśnie po to, by zbadać względnie niewielki rozkład cząsteczek pyłu wokół 20 pobliskich dysków protoplanetarnych. Te cząsteczki pyłu świecą w naturalny sposób na długościach milimetrowych, co pozwala instrumentowi ALMA dokładnie odwzorować rozkład gęstości małych cząsteczek wokół młodych gwiazd.
Naukowcy odkryli, że wiele podstruktur – koncentrycznych szczelin, wąskich pierścieni – jest wspólnych dla prawie wszystkich dysków, podczas gdy w niektórych przypadkach występują również wielkoskalowe spiralne wzory i właściwości przypominające łuk. Ponadto dyski i szczeliny są obecne w szerokim zakresie odległości od ich gwiazd macierzystych – od kilku do ponad stu jednostek astronomicznych, co stanowi ponad trzykrotną odległości Neptuna od Słońca.
Właściwości te, które mogą być śladami wielkich planet, mogą wyjaśnić, w jaki sposób skaliste planety podobne do Ziemi mogą się kształtować i rozwijać. Przez dziesięciolecia astronomowie głowili się nad poważną przeszkodą w teorii powstawania planet: kiedy planetozymale osiągną odpowiednią wielkość – około kilometra średnicy – dynamika gładkiego dysku protoplanetarnego skłoniłaby je do wpadnięcia w gwiazdę i nigdy nie przejęły by masy niezbędnej do utworzenia takich planet, jak Mars, Wenus i Ziemia.
Gęste pyłowe pierścienie, które teraz widzimy dzięki instrumentowi ALMA, wytworzyłyby bezpieczną przystań dla skalistych światów, aby te w pełni dojrzały. Ich wyższa gęstość i stężenie cząsteczek pyłu powodują perturbacje w dysku, tworząc strefy, w których planetozymale będą miały więcej czasu, aby wyrosnąć na w pełni rozwinięte planety.
Opracowanie: Agnieszka Nowak
Więcej:
ALMA Campaign Provides Unprecedented Views of the Birth of Planets
Źródło: ALMA
Na zdjęciu: 20 dysków protoplanetarnych obserwowanych przez ALMA
