Undersøgelse af unge, kaotisk stjernesystem afslører planetdannelseshemmeligheder

Et team af forskere, der bruger Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) til at studere den unge stjerne Elias 2-27, har bekræftet, at gravitationel ustabilitet spiller en nøglerolle i planetdannelsen, og har for første gang direkte målt massen af ​​protoplanetariske skiver ved hjælp af gashastighedsdata, potentielt låse op for et af mysterierne bag planetdannelse. Resultaterne af forskningen offentliggøres i dag i to artikler i The Astrofysisk tidsskrift .

Protoplanetariske skiver - planetdannende skiver lavet af gas og støv, der omgiver nydannede unge stjerner - er kendt af videnskabsmænd som planeternes fødested. Den nøjagtige proces med planetdannelse, imidlertid, er forblevet et mysterium. Den nye forskning, ledet af Teresa Paneque-Carreño - en nyuddannet kandidat fra Universidad de Chile og Ph.D. studerende ved University of Leiden og European Southern Observatory, og den primære forfatter på det første af de to papirer - fokuserer på at låse op for mysteriet om planetdannelse.

Under observationer, forskere bekræftede, at Elias 2-27-stjernesystemet - en ung stjerne placeret mindre end 400 lysår væk fra Jorden i stjernebilledet Ophiuchus - udviste beviser for gravitationel ustabilitet, som opstår, når planetdannende skiver bærer en stor del af systemets stjerner. masse. "Hvordan planeter præcist dannes er et af hovedspørgsmålene i vores felt. der er nogle nøglemekanismer, som vi mener kan fremskynde processen med planetdannelse, " sagde Paneque-Carreño. "Vi fandt direkte beviser for gravitationel ustabilitet i Elias 2-27, hvilket er meget spændende, fordi det er første gang, vi kan vise kinematisk og multi-bølgelængde bevis på, at et system er gravitationsmæssigt ustabilt. Elias 2-27 er det første system, der tjekker alle boksene."

Elias 2-27's unikke egenskaber har gjort den populær blandt ALMA-forskere i mere end et halvt årti. I 2016 et team af forskere, der brugte ALMA, opdagede et vindhjul af støv, der hvirvlede rundt om den unge stjerne. Spiralerne blev antaget at være resultatet af tæthedsbølger, almindeligvis kendt for at producere de genkendelige arme fra spiralgalakser - som Mælkevejsgalaksen - men på det tidspunkt, var aldrig før set omkring individuelle stjerner.

"Vi opdagede i 2016, at Elias 2-27 disken havde en anden struktur end andre allerede studerede systemer, noget, der ikke tidligere er observeret i en protoplanetarisk skive:to spiralarme i stor skala. Gravitationel ustabilitet var en stor mulighed, men oprindelsen af ​​disse strukturer forblev et mysterium, og vi havde brug for yderligere observationer, " sagde Laura Pérez, Adjunkt ved Universidad de Chile og hovedforsker på 2016-undersøgelsen. Sammen med samarbejdspartnere, hun foreslog yderligere observationer i flere ALMA-bånd, der blev analyseret med Paneque-Carreño som en del af hendes M.Sc. afhandling ved Universidad de Chile.

Ud over at bekræfte gravitationel ustabilitet, videnskabsmænd fandt forstyrrelser - eller forstyrrelser - i stjernesystemet ud over teoretiske forventninger. "Der kan stadig være nyt materiale fra den omgivende molekylære sky, der falder ned på skiven, hvilket gør alt mere kaotisk, " sagde Paneque-Carreño, tilføjer, at dette kaos har bidraget til interessante fænomener, som aldrig er blevet observeret før, og som forskerne ikke har nogen klar forklaring på. "Elias 2-27 stjernesystem er meget asymmetrisk i gasstrukturen. Dette var fuldstændig uventet, og det er første gang, vi har observeret en sådan vertikal asymmetri i en protoplanetarisk skive."

Cassandra Hall, Adjunkt i beregningsastrofysik ved University of Georgia, og en medforfatter på forskningen, tilføjede, at bekræftelsen af ​​både vertikal asymmetri og hastighedsforstyrrelser - de første storstilede forstyrrelser forbundet med spiralstruktur i en protoplanetarisk skive - kunne have betydelige konsekvenser for planetdannelsesteorien. "Dette kunne være en 'rygende pistol' af gravitationel ustabilitet, som kan fremskynde nogle af de tidligste stadier af planetdannelse. Vi forudsagde første gang denne signatur i 2020, og fra et beregningsastrofysisk synspunkt, det er spændende at have ret."

Paneque-Carreño tilføjede, at mens den nye forskning har bekræftet nogle teorier, det har også rejst nye spørgsmål. "Mens gravitationelle ustabiliteter nu kan bekræftes for at forklare spiralstrukturerne i støvkontinuumet, der omgiver stjernen, der er også et indre hul, eller manglende materiale på disken, som vi ikke har en klar forklaring på."

En af barriererne for at forstå planetdannelse var manglen på direkte måling af massen af ​​planetdannende skiver, et problem behandlet i den nye forskning. Den høje følsomhed af ALMA Band 6, parret med bånd 3 og 7, gav teamet mulighed for at studere de dynamiske processer nærmere, massefylde, og endda diskens masse. "Tidligere målinger af protoplanetarisk skivemasse var indirekte og kun baseret på støv eller sjældne isotopologer. Med denne nye undersøgelse, vi er nu følsomme over for hele diskens masse, " sagde Benedetta Veronesi - en kandidatstuderende ved universitetet i Milano og postdoc-forsker ved École normale supérieure de Lyon, og hovedforfatteren på det andet papir. "Dette fund lægger grundlaget for udviklingen af ​​en metode til at måle skivemasse, som vil give os mulighed for at nedbryde en af ​​de største og mest presserende barrierer inden for planetdannelse. At kende mængden af ​​masse, der er til stede i planetdannende skiver, gør det muligt os at bestemme mængden af ​​tilgængeligt materiale til dannelsen af ​​planetsystemer, og for bedre at forstå den proces, hvorved de dannes."

Selvom holdet har besvaret en række nøglespørgsmål om betydningen af ​​gravitationel ustabilitet og skivemasse i planetdannelsen, arbejdet er endnu ikke udført. "Det er svært at studere, hvordan planeter dannes, fordi det tager millioner af år at danne planeter. Dette er en meget kort tidsskala for stjerner, som lever tusinder af millioner af år, men en meget lang proces for os, " sagde Paneque-Carreño. "Det, vi kan gøre, er at observere unge stjerner, med skiver af gas og støv omkring dem, og prøv at forklare, hvorfor disse skiver af materiale ser ud, som de gør. Det er som at se på et gerningssted og prøve at gætte, hvad der skete. Vores observationsanalyse parret med fremtidig dybdegående analyse af Elias 2-27 vil give os mulighed for at karakterisere præcis, hvordan gravitationelle ustabiliteter virker i planetdannende skiver, og få mere indsigt i, hvordan planeter dannes."