Gazowe „wodospady” ujawniają niemowlęce planety wokół młodej gwiazdy

Po raz pierwszy astronomowie korzystający z ALMA byli świadkami trójwymiarowych ruchów gazu w dysku protoplanetarnym. W trzech miejscach w dysku wokół młodej gwiazdy HD 163296 gaz płynie jak wodospad w szczelinach, które najprawdopodobniej powstają w trakcie formowania się planet. Te przepływy gazu były od dawna prognozowane i miałyby bezpośredni wpływ na skład chemiczny atmosfer planet.

Miejsce narodzin planet to dyski złożone z gazu i pyłu. Astronomowie badają te tak zwane dyski protoplanetarne, aby zrozumieć procesy formowania się planet. Piękne obrazy dysków wykonane za pomocą ALMA pokazują wyraźne szczeliny i właściwości pierścienia w pyle, które mogą być wywołane przez planety niemowlęce.

Aby uzyskać większą pewność, że luki te faktycznie są wywołane przez planety, i aby uzyskać pełniejszy obraz formowania się planet, naukowcy oprócz pyłu badają również gaz z dysku. 99% masy dysku protoplanetarnego to gaz, którego tlenek węgla (CO) jest najjaśniejszym składnikiem świecącym na falach milimetrowych, które może obserwować ALMA.

W ubiegłym roku dwa zespoły astronomów zademonstrowały nową technikę polowania na planety przy użyciu tego gazu. Zmierzyli prędkość CO rotującego w dysku wokół młodej gwiazdy HD 163296. Zlokalizowane zakłócenia ruchów gazu ujawniły na dysku trzy wzory podobne do planet.

W nowym badaniu główny autor Richard Teague z University of Michigan i jego zespół wykorzystali nowe dane ALMA o wysokiej rozdzielczości z Disk Substructures at High Angular Resolution Project (DSHARP) do bardziej szczegółowego badania prędkości gazu. „Dzięki wysokiej dokładności danym z tego programu, byliśmy w stanie zmierzyć prędkość gazu w trzech kierunkach zamiast tylko jednym. Po raz pierwszy zmierzyliśmy ruch gazu krążącego wokół gwiazdy, w kierunku gwiazdy lub od niej oraz w górę lub w dół w dysku” – powiedział Teague.

Teague i jego koledzy widzieli, jak gaz przemieszcza się z górnych warstw w kierunku środka dysku w trzech różnych lokalizacjach. „Najbardziej prawdopodobne jest to, że planeta na orbicie wokół gwiazdy odsuwa na bok gaz i pył, otwierając lukę. Gaz powyżej szczeliny zapada się w nią jak wodospad, powodując rotacyjny przepływ gazu w dysku” – wyjaśnił Teague.

Jest to jak dotąd najlepszy dowód na to, że wokół HD 163296 faktycznie powstają planety. Ale astronomowie nie mogą ze stuprocentową pewnością stwierdzić, że przepływy gazu są powodowane przez planety. Na przykład pole magnetyczne gwiazdy również może powodować zaburzenia w gazie. „W tej chwili tylko bezpośrednia obserwacja planet mogła wykluczyć inne opcje. Ale wzorce tych przepływów gazu są wyjątkowe i jest bardzo prawdopodobne, że mogą być wywołane tylko przez planety” – powiedział współautor Jaehan Bae z Carnegie Institution for Science, który przetestował tę teorię za pomocą symulacji komputerowej dysku.

Lokalizacja trzech przewidywanych w tym badaniu planet odpowiada wynikom z ubiegłego roku: prawdopodobnie są one zlokalizowane na 87, 140 i 237 jednostce astronomicznej (j.a. – średnia odległość Ziemia-Słońce). Najbliższa planeta do HD 163296 jest szacowana na połowę masy Jowisza, środkowa planeta ma masę Jowisza a najdalsza jest dwa razy masywniejsza, niż nasz gazowy olbrzym.

Od lat 90. modele teoretyczne przewidują, że istnieją przepływy gazu z powierzchni w kierunku środka płaszczyzny dysku protoplanetarnego, ale zaobserwowane zostały po raz pierwszy. Można ich używać nie tylko do wykrywania planet niemowlęcych. Kształtują także nasze rozumienie tego, w jaki sposób gazowe olbrzymy utrzymują atmosferę.

„Planety tworzą się w centralnej warstwie dysku, tak zwanej płaszczyźnie środkowej. To zimne miejsce, osłonięte przed promieniowaniem gwiazdy. Uważamy, że luki wywołane przez planety dostarczają cieplejszy gaz z bardziej aktywnych chemicznie zewnętrznych warstw dysku i że gaz ten tworzy atmosferę planety” – wyjaśnia Teague.

Teague i jego zespół nie spodziewali się, że będą w stanie zobaczyć to zjawisko. „Dysk wokół HD 163296 jest najjaśniejszym i największym dyskiem, jaki możemy zobaczyć z ALMA. Ale wielką niespodzianką było zobaczyć tak wyraźnie przepływ gazu. Dyski wydają się być bardziej dynamiczne, niż sądziliśmy” – powiedział Teague.

„To daje nam o wiele bardziej kompletny obraz powstawania planet, niż kiedykolwiek marzyliśmy. Charakteryzując te przepływy, możemy ustalić, w jaki sposób rodzą się planety takie jak Jowisz, i określić ich skład chemiczny w chwili narodzin. Możemy to wykorzystać do śledzenia miejsca narodzin tych planet, ponieważ mogą się one przemieszczać podczas procesu formowania” – powiedział jego współautor Ted Bergin z University of Michigan.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:
NRAO

Dodaj komentarz

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.