Astronomowie zgadzają się, że planety rodzą się w dyskach protoplanetarnych – pierścieniach pyłu i gazu, które otaczają młode, nowo narodzone gwiazdy. Chociaż w całym wszechświecie dostrzeżono setki takich dysków, obserwacje rzeczywistych narodzin i formowania się planet okazały się trudne w tych środowiskach.
Teraz astronomowie w Centrum Astrofizyki | Harvard i Smithsonian opracowali nowy sposób wykrywania tych nieuchwytnych nowonarodzonych planet – a wraz z nim „dymiący pistolet” dowód na małą planetę podobną do Neptuna lub Saturna czającą się w dysku. Wyniki zostały opisane dzisiaj w The Astrophysical Journal Letters.
„Bezpośrednie wykrywanie młodych planet jest bardzo trudne i jak dotąd było skuteczne tylko w jednym lub dwóch przypadkach” – mówi Feng Long, doktor habilitowany w Center for Astrophysics, który kierował nowymi badaniami. „Planety są zawsze zbyt słabe, abyśmy mogli je zobaczyć, ponieważ są osadzone w grubych warstwach gazu i pyłu”.
Zamiast tego naukowcy muszą szukać wskazówek, aby wywnioskować, że pod pyłem rozwija się planeta.
„W ciągu ostatnich kilku lat widzieliśmy wiele struktur pojawiających się na dyskach, które naszym zdaniem są spowodowane obecnością planety, ale może to być również spowodowane czymś innym” – mówi Long. „Potrzebujemy nowych technik, aby przyjrzeć się i wspierać istnienie planety”.
Na potrzeby swoich badań Long postanowiła ponownie zbadać dysk protoplanetarny znany jako LkCa 15. Znajdujący się w odległości 518 lat świetlnych dysk znajduje się w gwiazdozbiorze Byka na niebie. Naukowcy wcześniej zgłaszali dowody na formowanie się planet na dysku, korzystając z obserwacji z Obserwatorium ALMA.
Long zagłębił się w nowe dane ALMA o wysokiej rozdzielczości dotyczące LkCa 15, uzyskane głównie w 2019 r., i odkrył dwie słabe cechy, które wcześniej nie zostały wykryte.
Około 42 jednostek astronomicznych od gwiazdy – czyli 42 razy odległość Ziemi od Słońca – Long odkrył pyłowy pierścień z dwoma oddzielnymi i jasnymi skupiskami materii krążącymi wewnątrz niego. Materiał przybrał kształt małej grudki i większego łuku i był oddzielony o 120 stopni.
Długo badali scenariusz za pomocą modeli komputerowych, aby dowiedzieć się, co powoduje nagromadzenie materiału, i dowiedzieli się, że ich rozmiar i położenie pasują do modelu obecności planety.
„Ten łuk i kępa są oddzielone o około 120 stopni” – mówi. „Ten stopień oddzielenia nie występuje po prostu – jest to ważne z matematycznego punktu widzenia”.
Długie punkty do pozycji w przestrzeni zwanych punktami Lagrange’a, gdzie dwa ciała będące w ruchu, takie jak gwiazda i orbitująca planeta, wytwarzają wokół siebie wzmocnione obszary przyciągania, w których może gromadzić się materia.
„Widzimy, że ten materiał nie tylko swobodnie unosi się w powietrzu, ale jest stabilny i preferuje lokalizację w oparciu o fizykę i zaangażowane obiekty” – wyjaśnia Long.
W tym przypadku łuk i wykryta kępa materiału Long znajdują się w punktach Lagrange’a L4 i L5. Ukryta 60 stopni pomiędzy nimi jest małą planetą powodującą gromadzenie się kurzu w punktach L4 i L5.
Wyniki pokazują, że planeta jest mniej więcej wielkości Neptuna lub Saturna i ma około jednego do trzech milionów lat. (To stosunkowo młode, jeśli chodzi o planety.)
Bezpośrednie zobrazowanie małej, nowo narodzonej planety może nie być możliwe w najbliższym czasie ze względu na ograniczenia technologiczne, ale Long wierzy, że dalsze obserwacje LkCa 15 przez ALMA mogą dostarczyć dodatkowych dowodów wspierających jej odkrycie planetarne.
Ma również nadzieję, że jej nowe podejście do wykrywania planet – z materią gromadzącą się preferencyjnie w punktach Lagrange’a – zostanie w przyszłości wykorzystane przez astronomów.
„Mam nadzieję, że ta metoda będzie mogła być szeroko stosowana w przyszłości” – mówi. „Jedynym zastrzeżeniem jest to, że wymaga to bardzo głębokich danych, ponieważ sygnał jest słaby”.
Long niedawno ukończyła staż podoktorski w Center for Astrophysics i we wrześniu dołączy do University of Arizona jako NASA Hubble Fellow.
Współautorami badania są Sean Andrews, Chunhua Qi, David Wilner i Karin Oberg z CfA; Shangjia Zhang i Zhaohuan Zhu z Uniwersytetu Nevady; Myriam Benisty z Uniwersytetu w Grenoble; Stefano Facchini z Uniwersytetu w Mediolanie; Andrea Isella z Uniwersytetu Ryżowego; Jaehan Bae z Uniwersytetu Florydy; Jane Huang z University of Michigan i Ryan Loomis z National Radio Astronomy Observatory.
Zespół wykorzystał obserwacje ALMA o wysokiej rozdzielczości wykonane za pomocą odbiorników Band 6 (1,3 mm) i Band 7 (0,88 mm).