Tak jak niektóre dzieci fizycznie przypominają swoich rodziców, tak wielu naukowców od dawna uważało, że rozwijające się planety powinny przypominać wirujący dysk gazu i pyłu, który je rodzi.
Jednak w nowym badaniu zespół astrofizyków pod kierownictwem Northwestern University odkrył, że podobieństwo może być mniejsze, niż wcześniej sądzono. Badając wciąż tworzącą się egzoplanetę i otaczający ją dysk urodzeniowy, naukowcy odkryli niedopasowany skład gazów w atmosferze planety w porównaniu z gazami w dysku.
Zaskakujące odkrycie potencjalnie potwierdza długo utrzymywany sceptycyzm, że obecny model powstawania planet przez naukowców jest zbyt uproszczony.
Wyniki badania zostaną opublikowane w środę (18 grudnia) w czasopiśmie Astrophysical Journal Letters. To pierwszy raz, kiedy fizycy porównali informacje z egzoplanety, jej dysku urodzeniowego i gwiazdy macierzystej.
„Dla astrofizyków obserwacyjnych jeden z powszechnie akceptowanych obrazów powstawania planet był prawdopodobnie zbyt uproszczony” – powiedział Chih-Chun „Dino” Hsu z Northwestern, który kierował badaniami. „Według tego uproszczonego obrazu stosunek gazów węgla i tlenu w atmosferze planety powinien odpowiadać stosunkowi gazów węgla i tlenu w jej dysku urodzeniowym – zakładając, że planeta akreuje materiały poprzez gazy w swoim dysku. Zamiast tego znaleźliśmy planetę ze znacznie niższą proporcją węgla i tlenu w porównaniu z dyskiem. Teraz możemy potwierdzić podejrzenia, że obraz powstawania planet był zbyt uproszczony”.
Hsu jest adiunktem podoktorskim w Centrum Interdyscyplinarnych Badań i Badań Astrofizyki (CIERA). Doradza mu Jason Wang, adiunkt fizyki i astronomii w Weinberg College of Arts and Sciences w Northwestern oraz członek CIERA.
Poszukiwanie widocznego materiału urodzeniowego
Wszystkie planety powstają z dysku urodzeniowego, wirującego dysku gazu i pyłu otaczającego nową gwiazdę. Przez miliony lat grawitacja przyciąga gaz i pył, tworząc grudki, które ostatecznie przekształcają się w planety. Do niedawna uzyskanie bezpośredniego widoku dysku urodzeniowego w celu prześledzenia narodzin planety było niemożliwe. Większość obserwowalnych egzoplanet jest zbyt stara, więc ich dyski urodzeniowe już zniknęły.
Wyjątkiem jest jednak PDS 70, dysk urodzeniowy otaczający dwie raczkujące egzoplanety-gazowe olbrzymy – podobne do Jowisza – zwane PDS 70b i PDS 70c. Planety, położone zaledwie 366 milionów lat świetlnych od Ziemi, w gwiazdozbiorze Centaura, mają najwyżej 5 milionów lat.
„To układ, w którym widzimy zarówno wciąż powstające planety, jak i materiały, z których powstały” – powiedział Wang. „W poprzednich badaniach analizowaliśmy ten dysk gazowy, aby zrozumieć jego skład. Po raz pierwszy byliśmy w stanie zmierzyć skład samej wciąż tworzącej się planety i zobaczyć, jak podobne są materiały na planecie w porównaniu z materiałami w dysku .”
Badanie odcisków palców planet
Aby zmierzyć materiały, Hsu, Wang i ich zespół zbadali światło emitowane przez PDS 70b. To światło, czyli widmo, przypomina odcisk palca, ujawniając skład obiektu, ruch, temperaturę i inne cechy. Każda cząsteczka lub pierwiastek wytwarza własne widmo. Zatem badając te widma, badacze mogą wskazać konkretne cząsteczki lub pierwiastki w obiekcie.
W poprzedniej pracy Wang był współautorem nowych technologii fotonicznych, które umożliwiają astronomom uchwycenie widma wybranych słabych obiektów w pobliżu znacznie jaśniejszych gwiazd. Naukowcy wykorzystali tę technikę, aby wycelować w słabe cechy młodego układu planetarnego.
„Te nowe narzędzia umożliwiają wykonanie naprawdę szczegółowych widm słabych obiektów obok naprawdę jasnych obiektów” – powiedział Wang. „Ponieważ wyzwanie polega na tym, że obok naprawdę jasnej gwiazdy znajduje się naprawdę słaba planeta. Trudno jest wyizolować światło planety w celu analizy jej atmosfery”.
Dzięki widmom badacze uzyskali informacje na temat tlenku węgla i wody z PDS 70b. Na tej podstawie obliczyli wywnioskowany stosunek węgla i tlenu w atmosferze planety. Następnie porównali ten stosunek z wcześniej zgłoszonymi pomiarami gazów w dysku.
„Początkowo spodziewaliśmy się, że stosunek węgla do tlenu na planecie może być podobny do tego na dysku” – powiedział Hsu. „Ale zamiast tego odkryliśmy, że zawartość węgla w stosunku do tlenu na planecie jest znacznie niższa niż proporcja w dysku. To było nieco zaskakujące i pokazuje, że nasz powszechnie akceptowany obraz powstawania planet był zbyt uproszczony”.
Solidne komponenty mogą zrobić różnicę
Aby wyjaśnić tę rozbieżność, Hsu i Wang uważają, że w grę mogą wchodzić dwa różne scenariusze. Jednym z wyjaśnień jest to, że planeta mogła uformować się, zanim jej dysk został wzbogacony w węgiel. Innym wyjaśnieniem jest to, że planeta mogła urosnąć głównie w wyniku absorpcji dużych ilości materiałów stałych oprócz gazów. Chociaż widma pokazują tylko gazy, część węgla i tlenu mogła początkowo nagromadzić się w ciele stałym – uwięziona w lodzie i pyle.
„Gdyby planeta preferencyjnie absorbowała lód i pył, wówczas lód i pył wyparowałyby przed wejściem na planetę” – powiedział Wang. „Może to nam oznaczać, że nie możemy po prostu porównywać gazu z gazem. Składniki stałe mogą mieć duży wpływ na stosunek węgla do tlenu”.
Na potrzeby tego badania zespół zbadał jedynie PDS 70b. Następnie planują obserwować widma drugiej planety w układzie PDS 70.
„Badając razem te dwie planety, możemy jeszcze lepiej zrozumieć historię powstawania układu” – powiedział Hsu. „Ale to także tylko jeden układ. Idealnie byłoby, gdybyśmy zidentyfikowali ich więcej, aby lepiej zrozumieć, w jaki sposób powstają planety”.
Badanie „PDS 70b pokazuje gwiezdny stosunek węgla do tlenu” zostało wsparte przez Fundację Heising-Simons, Fundację Simonsa i Narodową Fundację Nauki.