Zobaczyć niewidzialne. O badaniach planet, które jeszcze do końca nie powstały
Gdy rodzi się nowa gwiazda, zaczyna ją otaczać dysk protoplanetarny, który składa się głównie z gazu i pyłu. W takim dysku ziarna pyłu stopniowo wzrastają, tworząc większe planetozymale, a z nich powstają w końcu planety. Uważa się, że planety pojawiają się wokół większości gwiazd. Uczeni próbują je badać już na bardzo wczesnym etapie, gdy formują się w dysku protoplanetarnym, ale to niełatwe zadanie, ponieważ jasny i energetyczny dysk utrudnia obserwacje zdecydowanie ciemniejszych planet. Ostatnio jednak specjaliści wpadli na pomysł, by robić to poprzez analizę wpływu planet na strukturę macierzystego dysku. Otóż planety swoją obecnością i oddziaływaniem grawitacyjnym wytwarzają w nim luki podobne do obserwowanych w pierścieniach wokół Saturna. Wielkość tych luk czy przerw zależy od masy planety. Może też zależeć od liczby planet orbitujących w takiej samej odległości od gwiazdy. Mało tego: poza lukami w dyskach tworzą się też charakterystyczne i spektakularne pierścienie. I to o nich głównie będzie mowa.
Linie papilarne planet
Dyskami protoplanetarnymi astronomowie zainteresowali się w 2014 r., gdy radioteleskop ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) w Chile wykonał obraz gwiazdy HL Tauri. To bardzo młoda gwiazda w gwiazdozbiorze Byka, leżąca 450 l.św. od nas. Na obrazie tym uwidoczniono też jej bardzo wyraźny dysk protoplanetarny z serią koncentrycznych jasnych pierścieni oddzielonych szczelinami. Szybko uznano, że struktury te są śladami po formujących się właśnie wokół gwiazdy planetach. Poza tym dysk wydawał się znacznie bardziej rozwinięty, niż można by się spodziewać po wieku układu, co zasugerowało badaczom, że planety mogą powstawać szybciej, niż wcześniej sądzono.
Planeta krążąca w dysku działa jak kosmiczny pług: jej grawitacja odciąga część materii, tworząc przerwę, a pył zbiera się w gęstszy, jaśniejszy pierścień położony nieco dalej od niej. Do tej pory bezpośrednie oszacowanie mas takich planet było jednak trudne – widzimy strukturę dysku, ale samego tworu sprawczego już nie. Obecnie zespół astronomów z Warwick University we współpracy z badaczami z Massachusetts Institute of Technology i McMaster University przeprowadził szczegółowe symulacje komputerowe, w których śledził, jak planety o różnych masach rzeźbią pyłowe pierścienie w dyskach protoplanetarnych. Zmieniano m.in. masę planety, ilość pyłu i parametry gazu, a następnie analizowano, jak ewoluują kształt i jasność pierścieni na wirtualnych obrazach dysku. Okazało się, że trzy własności pierścienia – jego szerokość, położenie najjaśniejszego punktu oraz ilość zawartego w nim pyłu – mają wyraźny związek z masą planety odpowiedzialnej za jego powstanie. Najważniejsza jest lokalizacja maksimum jasności: autorzy znaleźli prostą zależność między odległością tego maksimum od planety a jej masą, która nie zależy od długości fali obserwacji i rozmiaru ziaren pyłu.
Aby zweryfikować to podejście, naukowcy sprawdzili metodę na układzie gwiazdy PDS 70, jednym z nielicznych, w których planety zostały bezpośrednio zobrazowane wewnątrz dysku. Uzyskali dane o masie planety PDS 70c, która jest zgodna z innymi niezależnymi szacunkami. Zastosowali również tę technikę względem pięciu dysków z niedawnego badania exoALMA, proponując nowe szacunki mas planet potencjalnie znajdujących się w ich wnętrzu. Amena Faruqi, główna autorka artykułu opisującego te badania w czasopiśmie „The Astrophysical Journal”, powiedziała, że czytając „między pierścieniami”, znaleziono sposób na rekonstrukcję mas planet tworzących pierścienie, nawet gdy są one zbyt słabo widoczne lub zbyt ukryte w dysku, by obserwować je bezpośrednio.
A może to nie planety
Nowa metoda jest zatem szczególnie cenna wtedy, gdy planety są wciąż bardzo młode i głęboko zanurzone w gazie i pyle dysku – czyli w fazie, którą trudno uchwycić innymi technikami. Daje to szansę na systematyczne ważenie całej populacji nowo narodzonych planet zamiast opierania się na tych rzadkich przypadkach, kiedy to mamy szczęście je bezpośrednio zobaczyć. Jak dodatkowo podkreślają autorzy analiz, znaleziona zależność między pierścieniami a masą planety jest na tyle uniwersalna, że można ją zastosować do archiwalnych obserwacji, ale także przyszłych odczytów z jeszcze czulszych instrumentów radiowych i milimetrowych. Znaczy to, iż bez robienia nowych zdjęć możemy zajrzeć do danych z ostatnich lat i na nowo przeliczyć masy wielu kandydatek na młode planety.
Podczas badania luk i pierścieni wokół bardzo młodych gwiazd pod uwagę bierze się jeszcze zupełnie inną możliwość: że struktury te wcale nie muszą być śladem po rodzących się planetach. „Powstało kilka poważnych prac, w których sugeruje się, że struktury, które wyglądają jak przerwy i pierścienie w dyskach protoplanetarnych, mogą występować bez planet” – wyjaśnia dr Joanna Drążkowska, kierowniczka programu badawczego dotyczącego genezy Układu Słonecznego w Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung w Getyndze w Niemczech. „Pierścienie możemy widzieć, gdy zmieniają się optyczne właściwości cząstek pyłu w tych dyskach. Temperatury w dyskach protoplanetarnych są bardzo niskie, a cząsteczki pyłu pokrywa lód składający się z różnych związków chemicznych w zależności od odległości od gwiazdy. Ich właściwości optyczne mogą znacząco się zmieniać – aż do przyjęcia formy przypominającej właśnie pierścienie. Inna hipoteza mówi, że struktury podobne do pierścieni mogą się tworzyć pod wpływem zjawisk o charakterze magnetohydrodynamicznym, czyli oddziaływania materii dysku z jego polem magnetycznym. Jednak rzeczywiście koncepcja, że przerwy i pierścienie są raczej wynikiem istnienia planet w dyskach protoplanetarnych, jest obecnie powszechnie przyjmowana w środowisku astronomów”.
Jak tworzą się pierścienie?
Kiedy patrzymy na Saturna, bardzo wyraźnie widzimy wokół niego wiele rozdzielonych pierścieni. Powstały one prawdopodobnie jakieś 160 mln lat temu w wyniku zniszczenia przez siły pływowe Saturna jego lodowego księżyca. Do destabilizacji orbity tego księżyca mogły przyczynić się oddziaływania grawitacyjne Tytana (największy księżyc Saturna). Podobne pierścienie widzimy w wielu dyskach protoplanetarnych, ale powstają one już w zupełnie inny sposób. Jak wyjaśnia dr Joanna Drążkowska, „taki dysk składa się w 99% z gazu wodorowo-helowego i w 1% z pyłu. Gdy powstaje w nim planeta krążąca wokół swojej gwiazdy, robi przerwę w gazie i zaburza jego ciśnienie. Lokalnie to ciśnienie bardzo spada blisko planety i rośnie z powrotem poza jej orbitą. Z kolei pył podąża zawsze w kierunku wyższego ciśnienia gazu, więc niejako odkłada się obok tej przerwy, obok jej zewnętrznej granicy, tworząc dość regularną jasną strukturę przypominającą pierścień”. Istotnie porównanie oddziaływania powstałej planety na dysk do pługa drążącego i odkładającego ziemię dobrze oddaje zjawisko powstawania pierścieni.
Autorzy artykułu w „The Astrophysical Journal” planują teraz zastosować swoją metodę do większych próbek dysków, aby sprawdzić, jakie typowe masy osiągają planety zlokalizowane w różnych odległościach od swoich gwiazd i na jakim etapie istnienia dysku. W połączeniu z przyszłymi misjami kosmicznymi i obserwatoriami naziemnymi – od ALMA po przyszłe jeszcze większe radioteleskopy – taka pyłowa waga może stać się jednym z kluczowych narzędzi do testowania teorii formowania się planet, a także do wyboru najciekawszych układów do dalszych, bardziej szczegółowych badań.
Praca astronomów z Warwick University jest dość ciekawa, ponieważ przybliża nas do badania innych światów na bardzo wczesnym etapie ich powstawania, nim jeszcze możemy odkryć obce planety, krążące wokół odległych gwiazd, innymi metodami. Ale niektórzy naukowcy zgłaszają tu pewne zastrzeżenie. Otóż, jak wyjaśnia dr Drążkowska, praca z Warwick zakłada po pierwsze, że w każdej przerwie w dysku protoplanetarnym jest tylko jedna planeta. A przecież może ich być więcej. Po drugie sugeruje też, że ta planeta jest dokładnie w środku tej przerwy między pierścieniami, czyli nie migruje w dysku. Tymczasem z większości przeprowadzanych symulacji wynika, że planety po powstaniu często zmieniają swoje położenie, dążąc na swojej drodze ku gwieździe.
Wielokrotne dyski
Modele formowania się planet sugerują, że obiekty te powstają w wyniku powolnego skupiania cząsteczek lodu i pyłu w dyskach materii wokół formujących się gwiazd. Zazwyczaj modele te biorą pod uwagę tylko pojedyncze gwiazdy takie jak Słońce. Jednak większość gwiazd tworzy układy podwójne, w których dwa ciała krążą wokół wspólnego centrum. Bardzo niewiele wiadomo o tym, jak powstają planety wokół takich układów, w których zasadniczą rolę odgrywa oddziaływanie grawitacyjne w ich obrębie. Ale w 2022 r. zespół naukowców z University of Manchester, korzystając z dwóch największych sieci radioteleskopów, czyli VLA (Very Large Array) i ALMA, zbadał gwiazdę podwójną SVS 13, będącą wciąż w fazie embrionalnej. Opublikowana praca zawiera najlepszy jak dotąd opis formującego się układu podwójnego. Ten składa się z dwóch protogwiazd o łącznej masie podobnej do masy Słońca i znajduje się stosunkowo blisko nas, w odległości 980 l.św., w obłoku molekularnym w Gwiazdozbiorze Perseusza.
Wyniki ujawniły, że każda gwiazda posiada wokół siebie dysk gazu i pyłu, a ponadto wokół obu gwiazd tworzy się jeszcze jeden większy dysk. Dwa małe dyski mają promienie rzędu 9 i 12 j.a. (jednostka astronomiczna to odległość Ziemi od Słońca), a trzeci – o wiele większy promień – rzędu aż 500 j.a. Ten zewnętrzny dysk wykazuje spiralną strukturę, która zasila materią poszczególne dyski, a we wszystkich z nich mogą w przyszłości powstać układy planetarne. Jest to wyraźny dowód na obecność dysków wokół obu gwiazd oraz na istnienie wspólnego większego dysku w układzie podwójnym. Czyli teoretycznie jest możliwe, że będziemy mieć dwie gwiazdy, wokół których powstaną trzy układy planetarne.
Prace te umożliwiły też zbadanie składu gazu, pyłu i materii zjonizowanej w układzie SVS 13. Ponadto wokół obu protogwiazd zidentyfikowano prawie 30 różnych cząsteczek, w tym 13 złożonych cząsteczek organicznych, będących prekursorami życia. Oznacza to, że gdy wokół tych dwóch słońc zaczną formować się planety, będą tam również elementy składowe życia.