Znalezienie formujących się planet to trudne, ale ważne zadanie dla astronomów: tylko trzy planety zostały kiedykolwiek odkryte w trakcie formowania, a ostatnia z nich została znaleziona zaledwie kilka tygodni temu.
Evan Rich, badacz z tytułem doktora na Uniwersytecie Michigan, sugeruje, że zamiast poszukiwać formujących się pojedynczych planet, astronomowie mogą mieć więcej szczęścia, szukając prawdopodobnych środowisk, w których się tworzą.
Robiąc to, Rich i zespół astronomów odkryli, że układy z gwiazdami o masie mniejszej niż trzy masy Słońca mają większe prawdopodobieństwo posiadania dużych pierścieni składających się z maleńkich ziaren pyłu o wielkości około mikrona – potencjalnych wskazań formowania się planet – niż większe gwiazdy i być może odkryli nową planetę wokół bardzo młodej gwiazdy.
Rich zaprezentuje swoje odkrycia, zebrane w pierwszym podsumowaniu artykułu z badania Gemini-Large Imaging with GPI Herbig/T-tauri Survey lub Gemini-LIGHTS, na dorocznym spotkaniu Amerykańskiego Towarzystwa Astronomicznego w tym miesiącu. Jego badanie zostało również przyjęte do publikacji w Astronomical Journal.
„Okazuje się, że znalezienie tych planet jest bardzo, bardzo trudne” – powiedział Rich. „Więc przyjmujemy strategię polegającą na tym, że patrzymy na sam materiał, a nie na planetę.
„Jakie jest środowisko formowania się planet? Jaka jest dynamika? W jaki sposób odróżniają one gwiazdę o bardzo małej masie od gwiazdy o bardzo dużej masie? Czy temperatura gwiazdy ma wpływ na dysk? Jeden z ostatecznych celów jest zakwestionowanie, w jaki sposób wszystkie te parametry wpływają na formowanie się planet”.
Rich i jego zespół badawczy użyli Południowego Teleskopu Gemini w Chile, aby przyjrzeć się gwiazdom masywniejszym niż Słońce, aby zbadać, jak formowanie się planet może się tutaj różnić. W szczególności zespół wykorzystał Gemini Planet Imager do oglądania obiektów w świetle podczerwonym lub w świetle nieco bardziej czerwonym niż nasze oczy. Astronomowie przyjrzeli się również tym gwiazdom w świetle spolaryzowanym, szukając słabego materiału, takiego jak pył, obok samych gwiazd.
„Materiał, na który patrzymy, jest czasami milion razy ciemniejszy niż sama gwiazda, a wykorzystanie tych procesów pozwala nam zobaczyć tę słabą materię wokół bardzo jasnych gwiazd” – powiedział Rich. „To, co się dzieje, to rozpraszanie się światła gwiazdy z pyłu, tak jak światło słoneczne odbija się od powierzchni stawu”.
To, co widzisz odbite od powierzchni stawu, jest światłem niespolaryzowanym, co oznacza, że jego fale świetlne wibrują we wszystkich kierunkach. Polaryzacja światła ustawia jego wibracje w jednej płaszczyźnie. Podobnie, gdy światło gwiazd rozprasza się na ziarnach pyłu krążących wokół gwiazd, astronomowie mogą odróżnić niespolaryzowane światło gwiazdy od niespolaryzowanego światła pyłu i mogą pozwolić im obserwować ziarna pyłu w tym dysku protoplanetarnym.
„Pod pewnymi względami przypomina to używanie spolaryzowanych okularów przeciwsłonecznych, ale zamiast używać okularów do tłumienia rozproszonego światła, używamy go do jego wzmocnienia” – powiedział współautor John Monnier, profesor astronomii na UM.
Astronomowie sfotografowali 44 cele i wykryli jakąś formę pyłu około 80% z nich. Zespół opublikował galerię przedstawiającą szereg różnych morfologii, które informują naukowców o dynamice zachodzącej w samym dysku.
„To naprawdę niewiarygodne, że jesteśmy w tej chwili w astronomii, w której nie tylko jesteśmy w stanie uzyskać obrazy dysków formujących planety wokół młodych gwiazd, ale możemy zapełnić całe galerie w celu sortowania i badania, rekonstruując historie pochodzenia planet”. powiedziała Alicia Aarnio, adiunkt fizyki i astronomii na Uniwersytecie Północnej Karoliny-Greensboro, która kierowała selekcją celów.
„Teoria jest taka, że kiedy formują się planety, tworzą niemal idealne słoje drzew wychodzące ze Słońca” – powiedział Rich. „Uważamy, że jeśli zobaczysz pierścienie i luki w dysku pyłowym, mogą istnieć planety”.
Zespół odkrył do tej pory, że pierścienie te posiadają tylko układy z gwiazdami o masie mniejszej niż trzy masy Słońca. Gwiazdy powyżej mas Słońca nie wydają się mieć tych samych pierścieni, a ponieważ te pierścienie są potencjalną sygnaturą formowania się planet, może to być dobrym wskaźnikiem tego, gdzie i jak planety się tworzą.
Naukowcy dostrzegli również wzór w gwiazdach bez pyłu.
„Zaskakujące było to, że obecność nawet małego towarzysza gwiazdy macierzystej, takiego jak brązowy karzeł, drastycznie zmniejszyła oznaki trwającego formowania się planet” – Monnier.
To odkrycie potwierdza ideę, że bliskie układy podwójne wydają się tworzyć planety rzadziej niż pojedyncze gwiazdy, co po raz pierwszy zaproponowano w celu wyjaśnienia danych z Kosmicznego Teleskopu Keplera.
Zespół znalazł wiele obiektów krążących wokół gwiazd, w tym trzy brązowe karły i jednego kandydata na towarzysza o masie planetarnej, tuż poza układem dysków formujących planety, zwanym V1295 Aql. Ten obiekt wydaje się mieć masę około 13 razy większą od Jowisza, co stawia go na krawędzi pomiędzy tym, co uważa się za planetę, a tym, co uważa się za brązowego karła. Jeśli przyszłe obserwacje potwierdzą jej orbitę, będzie to jedna z niewielu znanych egzoplanet wokół masywnych gwiazd.
„Pierścienie pyłowe, szczeliny i ramiona spiralne widziane przez Gemini mówią nam, jak i kiedy powstają planety w czasie rzeczywistym. Dzięki dokładniejszym symulacjom i nowym teleskopom, takim jak Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba i Ekstremalnie Duży Teleskop, koncentrujemy się kluczowe składniki pozwalające zrozumieć, w jaki sposób powstał nasz Układ Słoneczny” – powiedział Jaehan Bae, teoretyk powstawania planet i były doktor habilitowany. student UM, obecnie adiunkt astronomii na Uniwersytecie Floryda.
Obserwacje zespołu badawczego zostały dokonane w Międzynarodowym Obserwatorium Gemini, programie NOIRLab Narodowej Fundacji Nauki.
Rich i Monnier potwierdzają wsparcie ze strony National Science Foundation Division of Astronomical Sciences (NSF AST) 1830728. Współautor Aarnio potwierdza wsparcie ze strony NSF AST-1311698. Współautor Stefan Kraus, profesor astrofizyki na University of Exeter i były pracownik naukowy UM, potwierdza wsparcie z grantu konsolidacyjnego Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych, nr umowy 101003096.