Świetlne echa dają wskazówki dotyczące dysków protoplanetarnych

Wyobraźmy sobie, że musimy zmierzyć wielkość pokoju, ale jest w nim zupełnie ciemno. Możemy krzyknąć, mierząc czas, jaki upłynął zanim fala dźwiękowa dotknęła ściany. Wykorzystując tę zasadę astronomowie mierzą dystans do obiektów tak odległych, że wydają się być jedynie punktami w przestrzeni. Zainteresowani są szczególnie obliczeniem, jak daleko od wewnętrznej krawędzi otaczającego je dysku protoplanetarnego znajdują się młode gwiazdy. Owe dyski gazu i pyłu są miejscami, gdzie na przestrzeni milionów lat tworzą się planety.

Zrozumienie dysków protoplanetarnych pomoże nam wyjaśnić niektóre z tajemnic egzoplanet, planet krążących poza naszym Układem Słonecznym. Astronomowie chcą wiedzieć, jak tworzą się planety i dlaczego odkrywają te duże, zwane “gorącymi Jowiszami” w bardzo bliskich odległościach od swoich macierzystych gwiazd.

Huan Meng jest doktorantem na Uniwersytecie Arizona w Tuscon. Jest także pierwszym autorem badań opublikowanych w Astrophysical Journal wykonanych przy użyciu danych z Kosmicznego Teleskopu Spitzer’a oraz czterech naziemnych teleskopów, do określenia odległości od gwiazdy do wewnętrznej krawędzi otaczającego ją dysku protoplanetarnego. Do tego pomiaru naukowcy użyli metody “świetlnego echa”. Gdy gwiazda centralna pojaśnieje, część światła trafia w otaczający ją dysk, wywołując opóźnione “echo”. Astronomowie zmierzyli czas, jaki zajęło światłu dotarcie bezpośrednio od gwiazdy do Ziemi, i oczekiwane nadejście jego echa.

Dzięki szczególnej teorii względności Einsteina wiemy, że światło porusza się ze stałą prędkością. W celu określenia danej odległości astronomowie mogą pomnożyć prędkość światła przez czas, jaki światło potrzebuje aby dostać się z jednego punktu do drugiego. Aby wykorzystać ten wzór, astronomowie potrzebowali gwiazd o zmiennej emisji. Młode gwiazdy są najlepszymi kandydatkami.

Gwiazda, której użyto w tym badaniu to YLW 16B leżąca w odległości 400 lat świetlnych od Ziemi. Jej masa jest zbliżona do Słońca ale jej wiek to zaledwie milion lat, czyli bardzo młoda w porównaniu z naszą dzienną gwiazdą mającą 4,6 miliarda lat. Podczas dwóch dni obserwacji owej gwiazdy astronomowie dostrzegli opóźnienie czasowe pomiędzy emisjami gwiazdy oraz ich echem w otaczającym ją dysku. Obserwatoria naziemne wykryły światło na krótkich długościach fali podczerwonej, emitowanej bezpośrednio z gwiazdy, a Spitzer zaobserwował światło na długich długościach fali podczerwonej, pochodzące z echa od dysku. Z powodu gęstych obłoków międzygwiazdowych, które blokują widok z Ziemi, astronomowie nie mogli użyć światła widzialnego do monitorowania gwiazdy.

Naukowcy wyliczyli, ile wynosi opóźnienie w czasie: 0,08 jednostki astronomicznej, czyli około 8% średniej odległości Ziemia-Słońce. Pomiary te są zgodne z przewidywaniami teoretycznymi. Chociaż metoda ta nie pozwala bezpośrednio zmierzyć wysokości dysku, astronomowie byli w stanie określić, że jego wewnętrzna krawędź jest stosunkowo gruba. Wcześniej astronomowie używali tej metody do pomiaru wielkości dysków akrecyjnych wokół supermasywnych czarnych dziur. Ponieważ żadne światło nie jest w stanie wydostać się z czarnej dziury, porównali światło pochodzące od wewnętrznej krawędzi dysku akrecyjnego do światła pochodzącego z zewnętrznej krawędzi w celu określenia rozmiaru dysku.

Świetlne echa od supermasywnych czarnych dziur wykazują opóźnienie rzędu dni czy tygodni, natomiast od badanego dysku protoplanetarnego zaledwie 74 sekundy. W badaniach Spitzera po raz pierwszy w historii użyto metody świetlnego echa do pomiaru wielkości dysku protoplanetarnego. To nowe podejście może być stosowane do innych młodych gwiazd posiadających planety w okresie formowania się w dysku wokół nich.

Źródło:
Spitzer

Urania - Postępy Astronomii