Badanie młodego, chaotycznego układu gwiezdnego odkrywa tajemnice formowania się planet

Nowe obserwacje młodego obiektu gwiazdowego Elias 2-27 potwierdzają, że niestabilności grawitacyjne i masa dysku protoplanetarnego są kluczem do formowania się planet olbrzymów.

Zespół naukowców wykorzystując Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) do badania młodej gwiazdy Elias 2-27 potwierdził, że niestabilności grawitacyjne odgrywają kluczową rolę w formowaniu się planet i po raz pierwszy bezpośrednio zmierzył masę dysków protoplanetarnych wykorzystując dane o prędkości gazu, potencjalnie rozwiązując jedną z tajemnic formowania się planet. Wyniki badań zostały opublikowane w dwóch artykułach w The Astrophysical Journal.

Dyski protoplanetarne – dyski formujące planety, zbudowane z gazu i pyłu, które otaczają nowo uformowane młode gwiazdy – są znane naukowcom jako miejsca narodzin planet. Dokładny proces formowania się planet pozostaje jednak tajemnicą. Nowe badania, prowadzone przez prof. Teresę Paneque-Carreño, główną autorkę pierwszej z dwóch prac, koncentrują się na rozwikłaniu tajemnicy powstawania planet.

Podczas obserwacji naukowcy potwierdzili, że układ gwiazdowy Elias 2-27 – młoda gwiazda znajdująca się w odległości mniejszej niż 400 lat świetlnych od Ziemi w konstelacji Wężownika – wykazuje oznaki niestabilności grawitacyjnej, które występują, gdy dyski protoplanetarne przenoszą dużą część masy gwiazdowej układu.

Unikalne cechy Elias 2-27 sprawiły, że jest on od ponad pół dekady popularny wśród naukowców korzystających z ALMA. W 2016 roku zespół naukowców używających ALMA odkrył spirale pyłu wirujące wokół tej młodej gwiazdy. Uważano, że spirale te są wynikiem fal gęstości, powszechnie znanych z tworzenia rozpoznawalnych ramion spiralnych galaktyk, takich jak Droga Mleczna, ale w tamtym czasie nigdy wcześniej nie były obserwowane wokół pojedynczych gwiazd.

Odkryliśmy w 2016 roku, że dysk Elias 2-27 miał różną strukturę od innych zbadanych już układów, coś, czego nie zaobserwowano wcześniej w dysku protoplanetarnym: dwa wielkoskalowe ramiona spiralne. Niestabilność grawitacyjna była solidną możliwością, ale pochodzenie tych struktur pozostawało tajemnicą i potrzebowaliśmy dalszych obserwacji – powiedziała Laura Pérez, adiunkt na Universidad de Chile i główny naukowiec badania z 2016 roku. Wraz ze współpracownikami zaproponowała dalsze badania na wielu pasmach ALMA, które były analizowane z Paneque-Carreño w ramach jej pracy magisterskiej na Universidad de Chile.

Oprócz potwierdzenia niestabilności grawitacyjnej, naukowcy znaleźli zaburzenia w tym układzie gwiazdowym powyżej i poza teoretycznymi oczekiwanymi. Wciąż może istnieć nowa materia z otaczającego obłoku molekularnego opadająca na dysk, co sprawia, że wszystko jest bardziej chaotyczne – powiedziała Paneque-Carreño, dodając, że ten chaos przyczynił się do interesujących zjawisk, które nigdy wcześniej nie były obserwowane, i dla których naukowcy nie mają jasnego wytłumaczenia. Układ gwiazdowy Elias 2-27 jest wysoce asymetryczny w strukturze gazu. Było to zupełnie niespodziewane i po raz pierwszy zaobserwowaliśmy taką wertykalną asymetrię w dysku protoplanetarnym.

Cassandra Hall, adiunkt astrofizyki obliczeniowej na Uniwersytecie Georgii i współautorka badań, dodała, że potwierdzenie zarówno asymetrii wertykalnej jak i zaburzenia prędkości – pierwszych wielkoskalowych zaburzeń związanych ze strukturą spiralną w dysku protoplanetarnym – może mieć znaczące implikacje dla teorii formowania się planet. To może być oznaka niestabilności grawitacyjnej, która może przyspieszyć niektóre z najwcześniejszych etapów formowania się planet. Po raz pierwszy przewidzieliśmy tę sygnaturę w 2020 roku, a z punktu widzenia astrofizyki obliczeniowej, ekscytujące jest mieć rację.

Jedną z barier w zrozumieniu procesu formowania się planet był brak bezpośrednich pomiarów masy dysków protoplanetarnych. Problem ten został rozwiązany w nowych badaniach. Wysoka czułość ALMA pozwoliła zespołowi na dokładniejsze zbadanie procesów dynamicznych, gęstości a nawet masy dysku. Poprzednie pomiary masy dysku protoplanetarnego były pośrednie i opierały się tylko na pyle lub rzadkich izotopologach. Dzięki temu nowemu badaniu jesteśmy teraz wrażliwi na całą masę dysku – powiedziała Benedetta Veronesi, główna autorka drugiej pracy. To odkrycie kładzie podwaliny pod rozwój metody pomiaru masy dysku, która pozwoli nam przełamać jedną z największych i najbardziej palących barier w dziedzinie formowania się planet. Znajomość ilości masy obecnej w dyskach protoplanetarnych pozwala nam określić ilość materii dostępnej do formowania się układów planetarnych, a także lepiej zrozumieć proces, w którym się one tworzą.

Chociaż zespół odpowiedział na kilka kluczowych pytań dotyczących roli niestabilności grawitacyjnej i masy dysku w formowaniu się planet, praca nie jest jeszcze zakończona. Studiowanie tego, jak tworzą się planety jest trudne, ponieważ proces ten trwa miliony lat. Jest to bardzo krótka skala czasowa dla gwiazd, które żyją miliardy lat, ale dla nas jest to bardzo długi proces – powiedziała Paneque-Carreño. To, co możemy zrobić, to obserwować młode gwiazdy, wokół których znajdują się dyski gazu i pyłu, i próbować wyjaśnić, dlaczego te dyski materii wyglądają tak, a nie inaczej. To tak, jakbyśmy patrzyli na miejsce zbrodni i próbowali zgadnąć, co się stało. Nasza analiza obserwacyjna, połączona z przyszłą dogłębną analizą Elias 2-27 pozwoli nam dokładnie scharakteryzować, jak niestabilności grawitacyjne działają w dyskach protoplanetarnych i uzyskać większy wgląd w to, jak powstają planety.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:
NRAO

Vega

Na ilustracji: Obraz Elias 2-27. Źródło: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/T. Paneque-Carreño (Universidad de Chile), B. Saxton (NRAO)

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *