ALMA obserwuje lodowy pierścień wokół młodego układu planetarnego

Złożone zdjęcie układu Fomalhaut. Dane z ALMA (pomarańczowy) przedstawiają odległy i nachylony dysk odłamków w niespotykanym dotąd poziomie szczegółów. Centralna kropka to nierozdzielona emisja z gwiazdy o masie ok. 2 mas Słońca. Dane w zakresie optycznym z Kosmicznego Teleskopu Hubble’a przedstawiono na niebiesko; ciemny obszar to fragment przesłonięty przez koronagraf. Źródło: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), M. Mac Gregor; NASA/ESA Hubble, P. Kalas; B. Saxton (NRAO/AUI/NSF)

Międzynarodowy zespół astronomów korzystających z obserwatorium ALMA (Atacama Large Milimeter/submilimeter Array) wykonał pierwsze, kompletne zdjęcie w zakresie milimetrowym pierścienia pyłowych odłamków otaczającego młodą gwiazdę Fomalhaut. Ta niesamowicie wyraźna opaska głazów i gazu najprawdopodobniej jest wynikiem zderzeń zachodzących między egzokometami w zewnętrznych rejonach układu planetarnego oddalonego od Ziemi o 25 lat świetlnych.

Wcześniejsze zdjęcia Fomalhauta wykonane w 2012 roku, kiedy to ALMA wciąż była w trakcie budowy, przedstawiały tylko połowę dysku odłamków. Choć pierwsze zdjęcie było wykonane tylko w ramach testów możliwości ALMA, to zawierało ono interesujące wskazówki dotyczące możliwej natury i pochodzenia dysku.

Nowe zdjęcie z ALMA przedstawiają cały dysk odłamków i wskazują na chemiczne podobieństwo jego lodowej zawartości z kometami z Układu Słonecznego.

ALMA pozwoliła nam uzyskać zaskakująco wyraźne zdjęcie w pełni uformowanego dysku odłamków – mówi Meredtidh MacGregor, astronomka z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics w Cambridge, Massachusetts oraz główna autorka jednego z dwóch artykułów zaakceptowanych do publikacji w periodyku Astrophysical Journal i opisujących te obserwacje. W końcu możemy oglądać wyraźnie zdefiniowany kształt dysku, który może nam naprawdę dużo powiedzieć o układzie planetarnym odpowiedzialnym za ten bardzo osobliwy wygląd.

Fomalhaut jest stosunkowo bliskim nam układem planetarnym i jednym z zaledwie dwudziestu układów, w których udało się bezpośrednio sfotografować planety. Cały układ ma około 440 milionów lat czyli jest dziesięciokrotnie młodszy od Układu Słonecznego.

Na nowym zdjęciu wykonanym za pomocą ALMA, jasna otoczka lodowa jest szeroka na jakieś 2 miliardy kilometrów i znajduje się 20 miliardów kilometrów od gwiazdy centralnej.

Zdjęcie układu otaczającego gwiazdę Fomalhaut wykonane przez ALMA. Pierścień oddalony jest o 20 miliardów kilometrów od gwiazdy centralnej, a jego szerokość to ok. 2 mld km. Źródło: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO); M. MacGregor

Dyski odłamków powszechnie występują wokół młodych gwiazd i reprezentują bardzo dynamiczny i chaotyczny okres historii układu planetarnego. Astronomowie uważają, że powstają one w skutek ciągłych kolizji komet i innych planetezymali w zewnętrznych obszarach niedawno powstałych układów planetarnych. Odłamki będące skutkami kolizji pochłaniają promieniowanie gwiazdy centralnej i reemitują je w zakresie milimetrowym, który można obserwować za pomocą ALMA.

Wykorzystując dane zebrane za pomocą ALMA oraz szczegółowe modele komputerowe, badacze byli w stanie obliczyć precyzyjne położenie, szerokość i geometrię dysku. Parametry te potwierdzają, że tak wąski pierścień najprawdopodobniej powstał pod wpływem przyciągania grawitacyjnego ze strony planet krążących w tym układzie planetarnym.

Nowe zdjęcia z ALMA jako pierwsze wyraźnie pokazują „poświatę apocentrum”, zjawisko przewidziane w 2016 roku przez Margaret Pen z MIT, która jest współautorką obu artykułów. Jak wszystkie obiekty poruszające się po wydłużonych orbitach, materia pyłowa tworząca dysk wokół Fomalhaut porusza się wolniej gdy znajduje się w najdalszym od gwiazdy punkcie orbity. Gdy materia ta spowalnia, prowadzi to powstawania zatoru, swego rodzaju zagęszczenia materii w dalszej części dysku. Te gęsty regiony wyraźnie jaśniej świecą w zakresie milimetrowym na zdjęciach z ALMA.

Wykorzystując ten sam zestaw danych z ALMA, ale skupiając się na pojedynczych, określonych długościach fali naturalnie emitowanych przez cząsteczki w przestrzeni kosmicznej, naukowcy wykryli także duże zasoby tlenku węgla dokładnie tam gdzie znajduje się dysk odłamków.

Dane te pozwoliły nam określić, że względna obfitość tlenku węgla oraz dwutlenku węgla wokół gwiazdy Fomalhaut jest taka sama jak w kometach w Układzie Słonecznym – mówi Luca Matra z Uniwersytetu w Cambridge w Wielkiej Brytanii, główny autor drugiego artykułu. To chemiczne podobieństwo może wskazywać na podobieństwo warunków, w których powstawały komety tak w tym jak i w naszym układzie planetarnym.

Obecność wyraźnie zdefiniowanego dysku odłamków wokół Fomalhaut wraz z zaskakującym podobieństwem chemicznym, może wskazywać, że układ planetarny wokół Fomalhaut przechodzi właśnie własną wersję Wielkiego Bombardowania, które w układzie słonecznym miało miejsce ok. 4 miliardów lat temu.

Źródło: NRAO

Artykuł naukowy: https://arxiv.org/abs/1705.05867https://arxiv.org/abs/1705.05868

Artykuł oryginalny