За последние несколько десятилетий охота за другими планетами в нашей галактике усилилась: 3869 планет были обнаружены в 2886 системах, а еще 2898 кандидатов ожидают подтверждения. Хотя открытие этих планет научило ученых многим видам планет, которые существуют в нашей галактике, мы еще многое не знаем о процессе формирования планет.
Чтобы ответить на эти вопросы, международная группа недавно использовала Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA) для проведения первого крупномасштабного исследования протопланетных дисков с высоким разрешением вокруг близлежащих звезд. Эта программа, известная как «Дисковые подструктуры в проекте с высоким угловым разрешением» (DSHARP), позволила получить изображения с высоким разрешением для 20 близлежащих систем, где пыль и газ находились в процессе формирования новых планет.
Их результаты были представлены в серии из десяти статей, которые должны появиться в специальном выпуске Астрофизические Журнальные Письма, В состав ответственной команды входили члены Гарвардского Смитсоновского центра астрофизики (CfA), Объединенной обсерватории ALMA, а также нескольких обсерваторий, исследовательских институтов и университетов.
В каждом случае исследователи DSHARP отмечали наличие в диске промежутков, которые были далеко от центральной звезды и, казалось, разграничивали внутреннюю и внешнюю части диска. Полученные кольца были также плотно упакованы или образовывали более тонкие полосы в зависимости от их расстояния от звезды. Эти модели, как они указали, могут быть результатом того, что невидимый планетный спутник возмущает диск.
Другая возможность состоит в том, что структуры диска подвержены глобальной нестабильности, подобной тем, которые наблюдаются в спиральных галактиках (таких как Млечный путь). По мнению исследователей, наиболее убедительным объяснением является то, что крупные планеты (такие, как газовые гиганты) формировались преимущественно во внешних долинах дисков, что указывало бы на то, что формирование планет происходит гораздо быстрее, чем допускают современные теории образования планет.
Это возможное объяснение также помогло бы объяснить, как земные планеты (то есть каменистые и похожие по размеру на Землю), которые образуются ближе к своим звездам, способны пережить ранние стадии своего формирования. Шон Эндрюс, астроном Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики (CfA) и один из руководителей * наблюдательной кампании ALMA, объяснил важность этих результатов в пресс-релизе NRAO:
«Цель этой многомесячной кампании наблюдений заключалась в поиске структурных сходств и различий в протопланетных дисках. Удивительно четкое видение ALMA выявило ранее невиданные структуры и неожиданно сложные шаблоны. Мы видим четкие детали вокруг широкого ассортимента молодых звезд разных масс. Самая убедительная интерпретация этих очень разнообразных, мелкомасштабных функций заключается в том, что есть невидимые планеты, взаимодействующие с материалом диска ».
Согласно ведущим моделям формирования планет, планеты рождаются в результате постепенного накопления пыли и газа внутри протопланетного диска. Это начинается с слияния частиц пыли с образованием все более крупных камней до появления астероидов, планетезималей и планет. Предполагается, что этот процесс займет миллионы лет, что означает, что протопланетные диски в старых системах будут более подвержены влиянию.
Однако ранние наблюдения, проведенные ALMA, показали, что многие молодые протопланетные диски имели четко определенные структуры, такие как кольца и зазоры. Эти особенности обычно связаны с присутствием планет, и даже были обнаружены в нескольких системах, которым было всего миллион лет. Как объяснила Джейн Хуанг, аспирантка CfA и член исследовательской группы:
«Было удивительно видеть возможные признаки формирования планет на самых первых изображениях молодых дисков в высоком разрешении. Важно было выяснить, были ли это аномалии или эти сигнатуры были общими на дисках ».
Поскольку ранний набор образцов был настолько мал, была развернута кампания DSHARP для наблюдения за другими протопланетными дисками для сравнения. Поскольку известно, что частицы пыли светятся на миллиметровой длине волны, команда кампании смогла использовать массив ALMA для точного отображения распределения плотности пылевых поясов вокруг молодых звездных систем и (в зависимости от расстояния до звезды) для отображения объектов как маленький, как несколько астрономических единиц.
В итоге исследовательская группа обнаружила, что многие из подструктур (то есть концентрические зазоры и узкие кольца) были общими почти для всех дисков, тогда как крупномасштабные спиральные структуры и дугообразные элементы были более редкими. Они также обнаружили, что диски и промежутки присутствовали на широком диапазоне расстояний от их принимающих звезд - от нескольких AU до более чем ста.
Как уже отмечалось, эти наблюдения могут помочь разрешить непреходящую тайну, когда дело доходит до теорий формирования планет. В частности, астрономы задаются вопросом, как планеты могут образовываться, когда динамика гладкого протопланетного диска заставит любое тело диаметром более сантиметра упасть в свою главную звезду. При таких обстоятельствах каменистых объектов больше астероида не должно быть.
По сути, плотные кольца пыли, которые наблюдала команда, могли создать возмущения в диске, которые могли бы создать зоны, в которых планетезимали были бы безопасными и имели бы время, необходимое для превращения в планеты. Лаура Перес, исследователь из Университета Чили и член исследовательской группы, указала:
«Когда ALMA действительно раскрыла свои возможности с помощью своего культового образа HL Tau, мы должны были задаться вопросом, был ли это выброс, поскольку диск был сравнительно массивным и молодым. Эти последние наблюдения показывают, что, хотя поразительно, Г.Л. Тау далеко не необычен и может фактически представлять нормальную эволюцию планет вокруг молодых звезд ».
Это исследование демонстрирует всю мощь современных инструментов и научного сотрудничества. Благодаря способности видеть больше и видеть дальше, ученые могут проверять астрономические теории, как никогда раньше. И в процессе, наши самые фундаментальные представления о том, как возникла Вселенная, подтверждаются и оспариваются.
Не забудьте насладиться этой анимацией того, как выглядит протопланетный диск, благодаря программе NRAO Outreach:
* Другими лидерами наблюдательной кампании ALMA являются Андреа Изелла из Университета Райса, Лаура Перес из Чилийского университета и Корнелис Даллмонд из Гейдельбергского университета.
