Ramiona spiralne wspomagają narodziny planet

Tam rodzą się gwiazdy: lewy obraz to zdjęcie rejonu Rho-Ophiuchi odległego o 450 lat świetlnych wykonane w podczerwieni. Prawy obraz to termiczna emisja od pyłu z dysku protoplanetarnego wokół młodej gwiazdy Elias 2-27. Źródło: NASA/JPL-Caltech/WISE team (lewe zdjęcie), B. Saxton (NRAO/AUI/NSF); ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), L. Pérez (MPIfR) (prawe zdjęcie)
Tam rodzą się gwiazdy: lewy obraz to zdjęcie rejonu Rho-Ophiuchi odległego o 450 lat świetlnych wykonane w podczerwieni. Prawy obraz to termiczna emisja od pyłu z dysku protoplanetarnego wokół młodej gwiazdy Elias 2-27. Źródło: NASA/JPL-Caltech/WISE team (lewe zdjęcie), B. Saxton (NRAO/AUI/NSF); ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), L. Pérez (MPIfR) (prawe zdjęcie)

Astronomowie odkrywają fale gęstości w okołogwiezdnym dysku protoplanetarnym

Zespół naukowców z Max Planck Institute odkrył intrygującą strukturę ramion spiralnych w dysku gazowo-pyłowym wokół młodej gwiazdy Elias 2-27. Struktura znajduje się wewnątrz płaszczyzny dysku – rejonu, w którym możliwe jest powstawanie planet. Oznaczać to może dwie rzeczy: ramiona spiralne pojawiły się w wyniku obecności młodych planet lub to właśnie one tworzą warunki, w których powstają nowe planety.

Planety rodzą się wewnątrz dysków gazu i pyłu wokół młodych gwiazd. Model ten ma długą historię, ale dopiero niedawno astronomom udało się bezpośrednio zaobserwować takie dyski. Wczesnym przykładem było odkrycie sylwetek dysków w latach 90-tych XX wieku przy pomocy Kosmicznego Teleskopu Hubble’a. Jednak szczegółowe obrazy udało się uzyskać dużo później. Na przykład w 2014 roku, gdy przy pomocy sieci teleskopów ALMA dostrzeżono luki w dyskach protoplanetarnych.

Sieć radioteleskopów Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ang. Duża Sieć Anten Sub/milimetrowych na Atakamie) w chilijskich Andach, której 66 anten czyni ją największą na świecie, została użyta to obserwacji młodej gwiazdy Elias 2-27, znajdującej się w gwiazdozbiorze Wężownika w odległości 450 lat świetlnych od Ziemi. Zespół odkrył wspomnianą strukturę, bez której planety prawdopodobnie w ogóle nie mogłyby powstać.

Przyczyna leży w procesie narodzin: wewnątrz dysku materii cząsteczki pyłu wpadają na siebie i tworzą grudki. Z czasem powstają z nich coraz większe obiekty. Problemy pojawiają się, gdy uzyskują one kilkumetrowe średnice. Otaczający je gaz powoduje wówczas taki ciąg, że gdy obiekty poruszają się po swojej orbicie wokół gwiazdy, mogą jednocześnie przemieścić się ku wnętrzu w ciągu mniej niż 1000 lat i spaść na gwiazdę.

W ten sposób proces narodzin zostaje przerwany, gdyż ciała potrzebują o wiele więcej czasu na zebranie ilości materii wystarczającej do powstania planet, których wielkość sprawia, że gaz nie ma na nie wielkiego wpływu. Jak zatem powstają większe obiekty? Rozpatruje się kilka możliwych mechanizmów, które umożliwiłyby prymitywnym odłamkom z pomocą grawitacji urosnąć do rozmiarów planet.

W gęstszych rejonach obserwowanych fal gęstości powstanie planet może odbywać się o wiele szybciej z powodu działającej tam większej siły grawitacji oraz wyższego prawdopodobieństwa zderzeń.

Niemalże dotykają nieba: radioteleskopy będące częścią Atacama Large Millimetre Array (ALMA), znajdujące się na wysokości 5100 m. n.p.m. w Andach chilijskich. Źródło: ESO/C. Malin
Niemalże dotykają nieba: radioteleskopy będące częścią Atacama Large Millimetre Array (ALMA), znajdujące się na wysokości 5100 m. n.p.m. w Andach chilijskich. Źródło: ESO/C. Malin

„Struktura zaobserwowana przez nas w Elias 2-27 to pierwszy ślad spiralnych ramion wynikających z różnicy w gęstości w dysku protoplanetarnym”, powiedziała Laura Pérez, kierownik projektu. „Widzimy, że stabilność w dysku może zostać zaburzona, co prowadzi do pojawiania się rejonów o zdecydowanie większej gęstości, dzięki czemu powstają planety.” Takie zaburzenia stabilności pojawiają się nie tylko w dyskach protoplanetarnych; prawdopodobnie najlepiej znanym przykładem takiego mechanizmu są fale gęstości w galaktykach spiralnych, które prowadzą do pojawienia się charakterystycznych struktur spiralnych.

Może też być inaczej: to planety mogą wywoływać fale gęstości orbitując wokół gwiazdy. Aby rozróżnić te procesy – ramiona powodujące powstanie planet lub ramiona powstałe w wyniku ruchu młodych planet – konieczne jest zrozumienie szczegółów, a obserwacje dokonane dzięki ALMA mają w tym swój udział.

„Po latach pomiarów jedynie całości promieniowania dysków wokół gwiazd, teraz jesteśmy w stanie dostrzec całe ich piękno i różnorodność, jak również ramiona spiralne. Dzięki temu lepiej rozumiemy proces formowania się planet”, powiedział Thomas Henning zaangażowany w badania.

„W ostatnich dekadach astronomowie stwierdzili sporą różnorodność egzoplanet. Możemy ją wyjaśnić jedynie poprzez zrozumienie wczesnych etapów powstawania planet. Ważną rolę w tym zrozumieniu odgrywają imponująco szczegółowe obrazy uzyskane dzięki ALMA”, stwierdził Hendrik Linz, naukowiec z Max Planck Institute.

Dwa powłóczyste ramiona spiralne wokół Elias 2-27 rozciągają się na ponad 10 miliardów kilometrów od niej – czyli dalej niż pas Kuipera od Słońca. „Obecność spiralnych fal gęstości tak oddalonych od gwiazdy może tłumaczyć istnienie egzoplanet okrążających swoją macierzystą gwiazdę w dużej odległości”, stwierdziła Laura Pérez. Zgodnie z tradycyjnymi modelami takie planety nie są w stanie powstać w pobliżu gwiazdy.

Młoda Elias 2-27 jest elementem znacznie większego rejonu formowania się gwiazd, zwanego Rho Ophiuchi w gwiazdozbiorze Wężownika. Powstała ona zaledwie jakiś milion lat temu – czyli bardzo niedawno w porównaniu do Słońca, które przeżyło już 4,6 miliarda lat. Naukowcy wiedzieli, że wokół gwiazdy znajduje się dysk; jednak według wcześniejszych obserwacji, wykonanych z rozdzielczością 0,6-1,1 sekundy łuku, jego szczegóły były niemożliwe do zaobserwowania.

Najnowsze obserwacje wykonane przez ALMA z rozdzielczością 0,24 sekundy łuku obrazują promieniowanie o długości 1,3 milimetra. Jest ono spowodowane obecnością cząsteczek pyłu, które stanowią od 1 do 10% całkowitej masy dysku. Obserwując to promieniowanie astronomowie byli w stanie prześledzić wspomniany wzór spiralny przebiegający w odległości od około 100 AU (100 jednostek astronomicznych, czyli 100-krotnie dalej niż średnia odległość Ziemi od Słońca) do 300 AU od gwiazdy macierzystej.

Jak już wspomniano, spiralna struktura mogła zostać spowodowana obecnością planety w dysku. ALMA rzeczywiście odkryła wąskie pasmo z o wiele mniejszą ilością gazu, jednak nie jest ono na tyle szerokie, aby pomieścić planetę wystarczająco dużą, żeby mogła ona spowodować obserwowany wzór spiralny.

Grawitacja samego dysku również może wywołać zaburzenia prowadzące do powstania ramion spiralnych. Uwzględniając całą masę samego dysku oraz rodzaj symetrii ramion spiralnych, autorzy badania uważają, że taka możliwość jest bardzo prawdopodobna.

„Tego rodzaju obserwacje przy użyciu ALMA są coraz częstsze i powinny dostarczyć nam więcej obrazów niejednorodnych struktur w dyskach protoplanetarnych”, powiedział Karl Menten, dyrektor Max Planck Institute, współautor artykułu, który ukazał się w czasopiśmie Science. „Powinniśmy z coraz większą pewnością być w stanie opisać właściwości tych struktur i wyjaśnić ich rolę w powstawaniu planet.”

Źródło: MPG

Tłumaczenie: Ewa Stokłosa