Wykorzystywanie małych „huraganów” do ważenia i datowania planet wokół młodych gwiazd
Małe „huragany”, które tworzą się wokół młodych gwiazd mogą być wykorzystane do badania pewnych aspektów powstawania planet, nawet w przypadku mniejszych planet, które krążą wokół swojej gwiazdy w dużych odległościach i są poza zasięgiem większości teleskopów.
Obraz dysku protoplanetarnego HL Tauri. Źródło: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO).
Naukowcy opracowali technikę, która wykorzystuje obserwacje tych „huraganów” przez Atacama Large Millimeter/submillimetre Array (ALMA), aby postawić pewne ograniczenia na masę i wiek planet w młodym układzie gwiazdowym.
Obłoki gazów, pyłu i lodu otaczające młode gwiazdy – znane jako dyski protoplanetarne – kształtem przypominające naleśnik, są miejscem, gdzie rozpoczyna się proces formowania się planet. Poprzez proces znany jako akrecja jądra, grawitacja powoduje, że cząsteczki w dysku przylegają do siebie, tworząc ostatecznie większe ciała stałe, takie jak planetoidy lub planety. W miarę formowania się młodych planet, zaczynają one rzeźbić szczeliny w dysku protoplanetarnym, jak rowki na płycie winylowej.
Nawet stosunkowo mała planeta – według niektórych ostatnich obliczeń o masie zaledwie 1/10 masy Jowisza – może być zdolna do tworzenia takich szczelin. Ponieważ te superneptuny mogą krążyć wokół swojej gwiazdy w odległości większej niż Pluton wokół Słońca, nie można zastosować tradycyjnych metod wykrywania egzoplanet.
Oprócz tych rowków, obserwacje z ALMA wykazały inne wyraźne struktury w dyskach protoplanetarnych, takie jak łuki i grudy w kształcie orzeszków ziemnych. Uważano, że przynajmniej niektóre z tych struktur były również tworzone przez planety.
Coś musi wywoływać powstawanie tych struktur – powiedział główny autor pracy, https://arxiv.org/abs/2301.01789 prof. Roman Rafikov z Wydziału Matematyki Stosowanej i Fizyki Teoretycznej Cambridge oraz Institute for Advanced Study w Princeton w stanie New Jersey. Jednym z możliwych mechanizmów tworzenia tych struktur – i z pewnością najbardziej intrygującym – jest to, że cząsteczki pyłu, które widzimy jako łuki i grudki, koncentrują się w centrach płynnych wirów: zasadniczo małych huraganów, które mogą być wyzwalane przez szczególną niestabilność w krawędziach szczelin wyrzeźbionych w dyskach protoplanetarnych przez planety.
Współpracując ze swoim doktorantem Nicolasem Cimermanem, Rafikov wykorzystał tę interpretację do opracowania metody ograniczania masy i wieku planety, jeżeli w dysku protoplanetarnym zaobserwowano wir. Ich wyniki zostały przyjęte do publikacji w dwóch osobnych artykułach w Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Niezwykle trudno jest badać mniejsze planety, które znajdują się daleko od swojej gwiazdy poprzez ich bezpośrednie obrazowanie: byłoby to jak próba dostrzeżenia świetlika przez latarnią morską – powiedział Rafikov. Potrzebujemy innych, odmiennych metod, aby poznać te planety.
Aby opracować swoją metodę, dwaj naukowcy najpierw teoretycznie obliczyli czas potrzebny do wytworzenia wiru w dysku przez planetę. Następnie wykorzystali te obliczenia do ograniczenia właściwości planet w dyskach z wirami, zasadniczo ustalając dolne granice masy lub wieku planety. Nazywają te techniki „ważeniem wirów” i „datowaniem wirów” planet.
Kiedy rosnąca planeta staje się wystarczająco masywna, zaczyna wypychać materię z dysku, tworząc charakterystyczną lukę w dysku. Kiedy tak się dzieje, materia na zewnątrz szczeliny staje się gęstsza niż materia po wewnętrznej stronie szczeliny. Gdy szczelina się pogłębia, a różnice w gęstości stają się duże, może dojść do niestabilności. Ta niestabilność zaburza dysk i może ostatecznie wywołać wir.
Z czasem wiele wirów może łączyć się ze sobą, ewoluując w jedną dużą strukturę wyglądającą jak łuki, które obserwowaliśmy za pomocą ALMA – powiedział Cimerman. Ponieważ wiry potrzebują czasu, aby się uformować, badacze mówią, że ich metoda jest jak zegar, który może pomóc określić masę i wiek planety.
Masywniejsze planety wytwarzają wiry wcześniej w swoim rozwoju ze względu na silniejszą grawitację, więc możemy użyć wirów do nałożenia pewnych ograniczeń na masę planety, nawet jeżeli nie możemy zobaczyć planety bezpośrednio – powiedział Rafikov.
Wykorzystując różne punkty danych, takie jak widmo, jasność i ruch, astronomowie mogą określić przybliżony wiek gwiazd. Dzięki tym informacjom naukowcy z Cambridge obliczyli najniższą możliwą masę planety, która mogła znajdować się na orbicie wokół gwiazdy od momentu uformowania się dysku protoplanetarnego i była w stanie wytworzyć wir, który mógł być widoczny dzięki ALMA. To pomogło im postawić dolną granicę na masę planety bez jej bezpośredniej obserwacji.
Stosując tę technikę do kilku znanych dysków protoplanetarnych z widocznymi łukami sugerującymi wiry, badacze stwierdzili, że domniemane planety tworzące wiry muszą mieć masy co najmniej kilkudziesięciu mas Ziemi, w zakresie superneptunów.
W mojej codziennej pracy często skupiam się na technicznych aspektach wykonywania symulacji – powiedział Cimerman. To ekscytujące, kiedy wszystko się łączy i możemy wykorzystać nasze teoretyczne odkrycia, aby dowiedzieć się czegoś o rzeczywistych układach.
Nasze ograniczenia można połączyć z ograniczeniami dostarczanymi przez inne metody, aby lepiej zrozumieć charakterystykę planet i ścieżki formowania się planet w tych układach – powiedział Rafikov. Badając powstawanie planet w innych układach gwiazdowych, możemy dowiedzieć się więcej o ewolucji naszego własnego Układu Słonecznego.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
