Przejdź do treści

Kampania ALMA dostarcza niespodziewanego wejrzenia na narodziny planet

s

Astronomowie skatalogowali już blisko 4000 egzoplanet krążących wokół innych gwiazd. Choć nauczyliśmy się wiele o nowo odkrytych światach, wciąż niewiele wiemy o kolejnych etapach formowania się planet oraz kosmicznym przepisie na to, jak rodzą się odkryte już takie obiekty, jak np. gorące Jowisze, masywne skaliste światy, lodowe planety karłowate a może i w przyszłości odległe odpowiedniki Ziemi.

Aby odpowiedzieć na te oraz inne intrygujące pytania na temat rodzin planet, zespół astronomów wykorzystujący ALMA przeprowadził jedno z najgłębszych badań na 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 właściwości, jakie one zawierają 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 szybko, 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 wzrastać, zachowując swój przypuszczalny autodestrukcyjny okres dorastania.

Celem miesięcznej kampanii obserwacyjnej 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 szerokiego asortymentu młodych gwiazd o różnych masach. Najbardziej przekonującą interpretacją tych bardzo różnorodnych właściwości jest to, że niewidoczne planety wchodzą w interakcje z materią dysku.

Wiodące 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 najbardziej powszechny w starszych układach. Jednak zgromadzone dowody wskazują, że nie zawsze tak jest.

Wcześniejsze obserwacje ALMA młodych dysków protoplanetarnych (niektóre z nich mające około miliona lat) ujawniają zastanawiające i zaskakujące 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.

Ponieważ zestaw próbek był tak mały, nie można było wyciągnąć żadnych nadrzędnych 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 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 odciskami 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 1 km 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 ALMA, wytworzyły by bezpieczną przystań dla skalistych światów, aby te w pełni dojrzały. Ich wyższa gęstość i stężenie cząsteczek pyłu tworzą 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.