Według nowego badania przeprowadzonego przez astronomów z University of Warwick, olbrzymie planety, które rozwinęły się na wczesnym etapie życia układu gwiazdowego, mogą rozwiązać zagadkę dotyczącą tego, dlaczego w młodych dyskach protoplanetarnych nie obserwuje się struktur spiralnych.
Badania, opublikowane 26 listopada 2020 r. w Astrophysical Journal Letters wyjaśniają brak struktury spiralnej, której astronomowie oczekują w dyskach protoplanetarnych wokół młodych gwiazd, co również sugeruje, że naukowcy być może będą musieli ponownie ocenić, jak szybko powstają planety w cyklu życia dysku.
Dyski protoplanetarne to miejsca narodzin planet, w których znajduje się materia, która ostatecznie połączy się w szereg planet, jakie widzimy we Wszechświecie. Kiedy te dyski są młode, tworzą struktury spiralne, a cały ich pył i materia są wciągane w gęste ramiona przez potężny efekt grawitacji wirującego dysku. Podobny efekt występuje na poziomie galaktycznym, dlatego widzimy galaktyki spiralne, takie jak nasza Droga Mleczna.
W ciągu trzech do dziesięciu milionów lat materia z dysku zbiera się, tworząc planety, opada na gwiazdę, którą okrąża lub po prostu rozprasza się w kosmosie przez wiatry pochodzące z dysku. Gdy dysk jest młody, samograwituje, a znajdująca się w nim materia tworzy strukturę spiralną, którą traci, gdy staje się stabilna grawitacyjnie. Młode planety, które się rozwijają, następnie wycinają luki w dysku, gdy pochłaniają i rozpraszają materię na swojej drodze, czego wynikiem są struktury „pierścienia i szczeliny”, najczęściej widziane przez astronomów w dyskach protoplanetarnych.
Jednak astronomowie starali się wytłumaczyć obserwacje młodych dysków protoplanetarnych, które nie wykazują struktur spiralnych, a zamiast tego wyglądają jak dysk znacznie starszy ze strukturą szczeliny i pierścienia. Aby to wyjaśnić, Sahl Rowther i dr Farzana Meru z Wydziału Fizyki Uniwersytetu w Warwick przeprowadzili symulacje komputerowe masywnych planet w młodych dyskach, aby określić, co się stanie, gdy wejdą w interakcje.
Odkryli, że olbrzymia planeta, około trzykrotnie masywniejsza niż Jowisz, migrująca z zewnętrznych obszarów dysku w kierunku swojej gwiazdy spowodowałaby wystarczające zakłócenia, aby zniszczyć strukturę spiralną dysku, dając wyniki podobne do dysków obserwowanych przez astronomów. Jednak aby znaleźć się w spiralnej fazie dysku, planety te musiałyby uformować się szybko i na wczesnym etapie cyklu życia dysku.
Jeżeli niektóre z tych dysków, które obserwują astronomowie, ostatnio uległy samograwitacji, oznacza to, że uformowały one planetę, gdy dysk był jeszcze młody. Faza samograwitacji dysku protoplanetarnego trwa znacznie krócej niż około pół miliona lat, co oznacza, że planeta musiałaby uformować się bardzo szybko. Niezależnie od tego, jaki mechanizm wyjaśnia, w jaki sposób powstają te planety, prawdopodobnie oznacza to, że musimy wziąć pod uwagę, że planety powstają znacznie szybciej niż początkowo sądzono. - mówi współautorka pracy, dr Farzana Meru z Wydziału Fizyki.
Ich symulacje modelowały olbrzymią planetę w zewnętrznych regionach dysku protoplanetarnego, gdy migruje ona do wewnątrz, proces, który astronomowie spodziewają się zobaczyć, gdy moment obrotowy popycha planetę do wewnątrz, gdy wymienia ona moment pędu z gazem w dysku. Oznacza to również, że planeta wchodziłaby w interakcje z dużą częścią dysku i zakłócała by go, a także byłaby wystarczająco masywna, by otworzyć lukę w gazie, co spowodowałoby powstanie struktury pierścienia i szczeliny.
To ekscytujące, biorąc pod uwagę niewiadome związane z masami obserwowanych dysków. Jeżeli masywne dyski ze strukturami pierścieniowymi i szczelinowymi są powszechne, może to dostarczyć więcej ścieżek wyjaśniających architekturę dysków. Nasze wyniki sugerują, że przy odpowiednich warunkach i technologii można nawet dostrzec ślady tych olbrzymów. Kolejnym etapem naszych badań będzie ustalenie, jakie są te warunki, aby pomóc astronomom w ustaleniu obecności tych planet. – dodaje Sahl Rowther.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
Rapid-forming giants could disrupt spiral protoplanetary discs
Hiding Signatures of Gravitational Instability in Protoplanetary Disks with Planets
Źródło: University of Warwick
Na ilustracji: Dysk protoplanetarny z orbitującą planetą. Źródło: University of Warwick.
