Jakten på andre planeter i vår galakse har varmet opp de siste tiårene, med 3869 planeter som ble oppdaget i 2.886 systemer og ytterligere 2.898 kandidater som venter på bekreftelse. Selv om oppdagelsen av disse planetene har lært forskere mye om hva slags planeter som finnes i galaksen vår, er det fremdeles mye vi ikke vet om prosessen med planetdannelse.
For å svare på disse spørsmålene brukte et internasjonalt team nylig Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA) for å gjennomføre den første storskala, høyoppløselige undersøkelsen av protoplanetære disker rundt stjernene i nærheten. Dette programmet, kjent som Disk Substructures at High Angular Resolution Project (DSHARP), ga høye oppløsninger av 20 systemer i nærheten der støv og gass var i ferd med å danne nye planeter.
Resultatene deres ble delt i en serie på ti artikler som skal vises i en spesiell utgave av The Astrophysical Journal Letters. Ansvarlig for teamet inkluderte medlemmer fra Harvard Smithsonian Center for Astrophysics (CfA), Joint ALMA Observatory, og flere observatorier, forskningsinstitutter og universiteter.
I begge tilfeller bemerket DSHARP-forskerne tilstedeværelsen av hull på disken som var langt fra den sentrale stjernen og så ut til å avgrense de indre og ytre delene av disken. De resulterende ringene var også tettpakket eller dannet tynnere bånd, avhengig av avstanden fra stjernen. Disse mønstrene, antydet de, kan være et resultat av en usett planetarisk kompanjong som forstyrrer disken.
En annen mulighet er at diskstrukturene er underlagt en global ustabilitet som ligner de som sees i spiralgalakser (som Melkeveien). I følge forskerne er den mest overbevisende forklaringen at store planeter (for eksempel gassgiganter) hovedsakelig dannet seg i de ytre nådene til diskene, noe som antydet at planetdannelse skjer mye raskere enn nåværende teorier om planetdannelse tillater.
Denne mulige forklaringen vil også bidra til å forklare hvordan jordbaserte planeter (dvs. steinete og lignende i størrelse som Jorden) som danner seg nærmere stjernene deres er i stand til å overleve de tidlige stadiene av deres dannelse. Sean Andrews, en astronom ved Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) og en av lederne * for ALMA-observasjonskampanjen, forklarte betydningen av disse funnene i en pressemelding fra NRAO:
Målet med denne månedelange observasjonskampanjen var å søke etter strukturelle fellestrekk og forskjeller i protoplanetære disker. ALMAs bemerkelsesverdige skarpe visjon har avslørt tidligere usettede strukturer og uventet komplekse mønstre. Vi ser tydelige detaljer rundt et bredt utvalg av unge stjerner i forskjellige masser. Den mest overbevisende tolkningen av disse svært forskjellige, småskala-funksjonene er at det er usete planeter som samhandler med skivematerialet. ”
I henhold til de ledende modellene for planetdannelse, blir planeter født av den gradvise ansamlingen av støv og gass inne i en protoplanetær disk. Dette begynner med støvkorn som sammenkollerer for å danne større og større bergarter til asteroider, planestimaler og planeter dukker opp. Denne prosessen antas å ta millioner av år, noe som betyr at protoplanetære disker i eldre systemer vil bli mer synlig påvirket av den.
Tidlige observasjoner utført av ALMA indikerte imidlertid at mange unge protoplanetære disker hadde veldefinerte strukturer som ringer og hull. Disse funksjonene er vanligvis forbundet med tilstedeværelsen av planeter, og ble til og med funnet i noen få systemer som bare var en million år gamle. Som Jane Huang, en doktorgradsstudent ved CfA og medlem av forskerteamet, forklarte:
”Det var overraskende å se mulige signaturer av planetdannelse i de aller første høyoppløselige bildene av unge disker. Det var viktig å finne ut om dette var anomalier eller om disse signaturene var vanlige på disker. ”
Siden det tidlige prøvesettet var så lite, ble DSHARP-kampanjen montert for å observere andre protoplanetære disker for sammenligning. Siden det er kjent at støvpartikler gløder i millimeterbølgelengden, var kampanjeteamet i stand til å bruke ALMA-matrisen for å presis kartlegge tetthetsfordelingen av støvbelter rundt unge stjernesystemer og (avhengig av stjernens avstand) for å kartlegge funksjoner som små som noen få astronomiske enheter.
Til slutt fant forskerteamet at mange av underkonstruksjonene (dvs. konsentriske gap og smale ringer) var vanlige for nesten alle skivene, mens spiralmønster i stor skala og buelignende trekk var mer sjeldne. De fant også ut at diskene og hullene var til stede i en lang rekke avstander fra vertsstjernene - alt fra noen få AU til mer enn hundre.
Som bemerket, kan disse observasjonene bidra til å løse et varig mysterium når det gjelder teorier om planetdannelse. Konkret har astronomer lurt på hvordan planeter kan danne seg når dynamikken til en jevn protoplanetær disk ville føre til at ethvert legeme med mer enn en centimeter i diameter falt i vertsstjernen. Under disse omstendighetene bør ikke steinete gjenstander som er større enn en asteroide, eksistere.
I hovedsak ville de tette støvringene teamet observerte skape forstyrrelser på disken, noe som kunne skape soner der planetesimaler ville være trygge og ha den tiden de trengte for å vokse til planeter. Som Laura Perez, en forsker ved University of Chile og et medlem av forskerteamet, indikerte:
“Da ALMA virkelig avslørte sine evner med dets ikoniske bilde av HL Tau, måtte vi lure på om det var en utligger siden disken var relativt massiv og ung. Disse siste observasjonene viser at HL Tau, selv om den er påfallende, langt fra uvanlig og faktisk kan representere den normale utviklingen av planeter rundt unge stjerner. ”
Denne forskningen viser frem kraften som nyskapende instrumenter og vitenskapelige samarbeid har i dag. Takket være evnen til å se mer og se lenger, er forskere i stand til å teste astronomiske teorier som aldri før. Og i prosessen blir våre mest grunnleggende forestillinger om hvordan universet ble til, bekreftet og utfordret.
Husk å glede deg over denne animasjonen av hvordan en protoplanetær disk ser ut, takket være NRAO Outreach-programmet:
* De andre lederne for ALMA-observasjonskampanjen er Andrea Isella fra Rice University, Laura Pérez fra University of Chile og Cornelis Dullemond fra Heidelberg University.
