Nowy sposób pomiarów i detekcji młodych gwiazd i ich dysków protoplanetarnych

Astronomowie z Boston University opracowali nowy sposób pomiaru i wykrywania obecności dysków protoplanetarnych wokół młodych gwiazd w najbardziej nieprzezroczystych regionach kosmosu.

Wyobraź sobie, że idziesz przez gęstą mgłę w środku nocy, widząc w oddali migoczące plamy świateł z samochodów i miast. Niemal niemożliwe jest stwierdzenie, czy światła są głęboko we mgle, czy poza nią. Astronomowie próbujący znaleźć młode gwiazdy borykają się z podobnym problemem: światło z poszukiwanych przez nich gwiazd migocze przez wielkie obszary mglistego gazu i pyłu w przestrzeni kosmicznej, zwane obłokami molekularnymi.

Jednak serca tych obłoków są często wylęgarniami młodych gwiazd i planet, idealnymi miejscami do prób zrozumienia, jak tworzą się ciała niebieskie – zakładając, że astronomowie są w stanie dostrzec przez mgłę, co się dzieje.

Teraz grupa naukowców z wydziału astronomii BU znalazła niedrogi sposób na przebicie się przez tę mgłę. Opracowali oni nową metodę, która mierzy zamglenie obłoku pyłu i pozwala wykryć obecność struktur planetotwórczych, znanych jako dyski protoplanetarne – dyski gazu i pyłu, które są obecne wokół młodych gwiazd i dostarczają materiału do formowania się planet. Wykorzystali swoją technikę, aby uzyskać pełniejszy wgląd we wnętrze obłoku molekularnego znajdującego się 450 lat świetlnych od Ziemi, w gwiazdozbiorze Byka. Znajduje się tam układ dwóch gwiazd, których dyski protoplanetarne są wciąż obecne i prawdopodobnie są w trakcie tworzenia wielu nowych planet.

W rzeczywistości próbujemy spojrzeć przez mgłę obłoku, aby zobaczyć, co robią te gwiazdy, które są jak latarki świecące przez chmurę – mówi Dan Clemens, profesor College of Arts & Sciences i kierownik katedry astronomii oraz główny autor pracy opisującej techniki zastosowane w celu bliższego przyjrzenia się dyskom protoplanetarnym gwiazd. Wyniki badań zostały opublikowane w czasopiśmie Astrophysical Journal.

Naukowcy nie wiedzą dokładnie, jak powstają gwiazdy i planety – choć znają niektóre składniki, takie jak gaz, pył, grawitacja i pola magnetyczne – dlatego badanie takich układów może dać wgląd w przebieg tego procesu. W Obłoku Molekularnym w Byku młoda małomasywna gwiazda oraz brązowy karzeł krążą wokół siebie co pół miliona lat – brązowy karzeł jest czasem nazywany nieudaną gwiazdą, ponieważ nie zaszedł w nim proces spalania wodoru i helu, jak się to dzieje w przypadku jaśniejszych gwiazd. Zarówno brązowy karzeł, jak i młoda gwiazda mają otaczające je dyski protoplanetarne.

Zespół z BU po raz pierwszy zbadał dyski w Obłoku Byka, gdy Anneliese Rilinger, studentka piątego roku studiów magisterskich na wydziale astronomii BU, zaczęła badać układ gwiazd za pomocą fal radiowych zbieranych przez Atacama Large Millimeter Array (ALMA). Rilinger opublikowała wcześniej pracę wraz z Catherine Espaillat, profesorem nadzwyczajnym astronomii w CAS i współautorką nowej pracy, w której badały i szczegółowo modelowały struktury dysków otaczających gwiazdy.

Jej praca z wykorzystaniem fal radiowych zainteresowała Clemensa, który razem z resztą zespołu, w tym Rilinger i Espaillat, postanowił sprawdzić obserwacje Rilinger tego samego układu przy użyciu światła w bliskiej podczerwieni – fali o krótszej długości niż fale radiowe, niewiele dłuższej od tej, którą jest w stanie wykryć ludzkie oko. Chcieli pokazać, że możliwe jest dokładne modelowanie położenia dysków protoplanetarnych za pomocą alternatywnych – i w rezultacie bardziej dostępnych – narzędzi.

Kiedy gwiazdy emitują światło, jest ono niespolaryzowane (co oznacza, że fale świetlne rozchodzą się w wielu kierunkach). Jednak gdy światło przechodzi przez gęsty obłok molekularny, staje się ono spolaryzowane – fale światła oscylują w jednym kierunku – ze względu na właściwości ziaren pyłu i pole magnetyczne wbudowane w obłok. Badacze użyli polarymetru pracującego w bliskiej podczerwieni w Perkins Telescope Observatory BU, aby zmierzyć polaryzację światła przechodzącego przez obłok. Pomiar polaryzacji pozwolił zespołowi dostrzec sygnatury gwiazd, co pozwoliło określić orientację dysków. Wyzwanie polegało na tym, jak odjąć wpływ otaczającego obłoku, aby określić naturę światła pochodzącego od gwiazd i ujawnić orientację dysków protoplanetarnych – szukając pyłu wewnątrz obłoku pyłowego.

Zespół potwierdził, że dane o polaryzacji w bliskiej podczerwieni zgadzają się z danymi na falach radiowych, co pokazuje, że możliwe są pomiary dysków protoplanetarnych bez użycia wielkoskalowych narzędzi, takich jak ALMA. Ich praca ujawniła również coś ciekawego w tym układzie: dyski znajdują się w dziwnym ułożeniu, które nie często jest obserwowane przez astronomów – równolegle do siebie i prostopadle do pola magnetycznego większego obłoku. Często dyski protoplanetarne obracają się równolegle do pola magnetycznego obłoku pyłu, co czyni ten układ rzadkim i daje naukowcom możliwość uzyskania nowych informacji na temat formowania się planet z dysków.

To było ekscytujące i stanowiło wyzwanie, aby rozwinąć wiedzę o tym, jak usunąć wkład obłoków z wewnętrznych polaryzacji gwiazd i młodych obiektów gwiazdowych – jest to coś, czego wcześniej nie robiono – mówi Clemens. Wykonana przez nas polarymetria w bliskiej podczerwieni dała nam unikalny wgląd w dyski, jak również możliwość zajrzenia w głąb tych optycznie nieprzezroczystych regionów, gdzie formują się nowe gwiazdy. Ich narzędzia mogą być wykorzystane do badania obecności i orientacji dysków w innych głęboko ukrytych regionach kosmosu.

Chociaż proces formowania się planet wciąż trwa, brązowy karzeł i młoda gwiazda w Obłoku w Byku już teraz wydają się mieć towarzyszy o mniejszej masie, którzy balansują na granicy między byciem planetą a innym brązowym karłem. W tym kawałku kosmosu planety prawdopodobnie będą się formować w ciągu najbliższych pięciu milionów lat.

Więcej informacji:

• Seeing through the Fog—Pinpointing Young Stars and Their Protoplanetary Disks
• Near-infrared Polarization from Unresolved Disks around Brown Dwarfs and Young Stellar Objects

Źródło: Boston University

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Na ilustracji: Wizja artystyczna przedstawiająca brązowego karła. Źródło: NASA/JPL-Caltech.