Trio af spædbarnsplaneter opdaget omkring nyfødt stjerne

To uafhængige teams af astronomer har afdækket overbevisende beviser for, at tre unge planeter er i kredsløb omkring en spædbarnsstjerne kendt som HD 163296. Ved hjælp af en ny planetfindingsstrategi, astronomerne identificerede tre diskrete forstyrrelser i en ung stjernes gasfyldte disk:det stærkeste bevis nogensinde for, at nydannede planeter er i kredsløb der.

I løbet af de sidste år har Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) har ændret vores forståelse af protoplanetariske diske- de gas- og støvfyldte planetfabrikker, der omkranser unge stjerner. Ringene og hullerne i disse diske giver spændende omstændighedsbeviser for tilstedeværelsen af ​​planeter. Andre fænomener, imidlertid, kunne stå for disse spændende funktioner.

Ved hjælp af en ny planetjagt-teknik, der identificerer usædvanlige mønstre i gasstrømmen inden i en protoplanetarisk disk, to teams af astronomer har bekræftet den adskilte, kendetegnende for nyligt dannede planeter, der kredser om en spædbarnsstjerne i vores galakse. Disse resultater præsenteres i et par papirer, der vises i Astrofysiske journalbreve .

"Vi kiggede på de lokaliserede, lille bevægelse af gas i en stjernes protoplanetariske skive. Denne helt nye tilgang kunne afdække nogle af de yngste planeter i vores galakse, alt takket være billederne i høj opløsning fra ALMA, "sagde Richard Teague, en astronom ved University of Michigan og hovedforfatter på et af papirerne.

For at gøre deres respektive opdagelser, hvert hold analyserede data fra forskellige ALMA-observationer af den unge stjerne HD 163296. HD 163296 er omkring 4 millioner år gammel og ligger cirka 330 lysår fra Jorden i retning af stjernebilledet Skytten.

I stedet for at fokusere på støvet i disken, hvilket tydeligt blev afbildet i tidligere ALMA -observation, astronomerne undersøgte i stedet fordelingen og bevægelsen af ​​kulilte (CO) gas på hele disken. Molekyler af CO udsender naturligvis et meget markant lys på millimeterbølgelængde, som ALMA kan observere. Subtile ændringer i dette lyss bølgelængde på grund af Doppler -effekten giver et indblik i kinematikken - eller bevægelsen - af gassen i disken.

Hvis der ikke var nogen planeter, gas ville bevæge sig rundt om en stjerne på en meget enkel måde, forudsigeligt mønster kendt som Keplerian rotation.

"Det ville tage et relativt massivt objekt, som en planet, at skabe lokaliserede forstyrrelser i denne ellers ordnede bevægelse, "sagde Christophe Pinte fra Monash University i Australien og hovedforfatter på et af de to papirer." Vores nye teknik anvender dette princip for at hjælpe os med at forstå, hvordan planetariske systemer dannes. "

Teamet ledet af Teague identificerede to markante planetlignende mønstre på disken, den ene på cirka 80 astronomiske enheder (AU) fra stjernen og den anden ved 140 AU. (En astronomisk enhed er den gennemsnitlige afstand fra jorden til solen, eller omkring 150 millioner kilometer.) Det andet hold, ledet af Pinte, identificerede den tredje på omkring 260 AU fra stjernen. Astronomerne beregner, at alle tre planeter i masse ligner Jupiter.

De to hold brugte variationer på den samme teknik, som kiggede på uregelmæssigheder i gasstrømmen - set i de skiftende bølgelængder af CO -emissionen - det ville indikere, at den interagerede med et massivt objekt.

Teague og hans team målte variationer i gasens hastighed. Dette afslørede virkningen af ​​flere planeter på gasbevægelsen tættere på stjernen.

Pinte og hans team målte mere direkte gasens faktiske hastighed, hvilket er bedre til at studere den ydre del af disken og mere præcist kan lokalisere placeringen af ​​en potentiel planet.

Opdagelse af protoplaneter

"Selvom tusinder af eksoplaneter er blevet opdaget i de sidste par årtier, opdagelse af protoplaneter ligger ved videnskabens grænse, "sagde Pinte. De teknikker, der i øjeblikket bruges til at finde eksoplaneter i fuldt dannede planetsystemer - f.eks. måling af en stjernes vakling eller hvordan en transitplanet dæmper stjernelys - egner sig ikke til at opdage protoplaneter.

ALMAs fantastiske billeder af HD 163296 og andre lignende systemer har afsløret spændende mønstre af koncentriske ringe og huller i protoplanetariske diske. Disse huller kan være tegn på, at protoplaneter pløjer støv og gas væk fra deres kredsløb, indarbejde noget af det i deres egen atmosfære. En tidligere undersøgelse af denne særlige stjerneskive viser, at støv- og gasgabene overlapper hinanden, hvilket tyder på, at der er dannet mindst to planeter der.

Disse indledende observationer, imidlertid, gav blot omstændighedsbevis og kunne ikke bruges til nøjagtigt at estimere planternes masser, bemærkede Teague. "Da andre mekanismer også kan producere ringede huller i en protoplanetarisk disk, det er umuligt at sige endegyldigt, at planeter er der ved blot at se på diskens overordnede struktur, " han sagde.

Seneste innovation

Nøglen til en mere afgørende afsløring, bemærk astronomerne, ligger i at drille finhastighedssignaturerne fra kuliltegassen ud.

"Selvom støv spiller en vigtig rolle i planetdannelsen og giver uvurderlig information, gas tegner sig for 99 procent af en protoplanetarisk disks masse, "sagde medforfatter Jaehan Bae fra Carnegie Institute for Science." Det er derfor afgørende at studere gasens kinematik. "

Lys, som en gas udsender fra en protoplanetarisk skive, ændrer dens bølgelængder afhængigt af gasens relative bevægelse til Jorden på grund af Doppler -effekten. "Dette er analogt med Doppler -teknikken, der bruges til at finde fuldt dannede planeter, "sagde medforfatter Dan Foreman-Mackey fra Flatiron Institute." Men snarere end at se på ændringerne i bølgelængden fra stjernens vingling, vi dykker dybt ned i disken for at se, hvordan de småskalaændringer sker. "

ALMAs fantastiske opløsning gjorde det muligt for forskerne at måle kuliltehastighedsmønstre på hele disken.

"Præcisionen er forbløffende, "sagde medforfatter Til Birnstiel fra Universitetsobservatoriet i München. I et system, hvor gas roterer med omkring 5 kilometer i sekundet, ALMA registrerede hastighedsændringer så små som et par meter i sekundet. "Dette giver os mulighed for at finde meget små afvigelser fra den forventede normale rotation i en disk, "Sagde Teague. Planeter ændrer gasens tæthed nær deres kredsløb, som ændrer gasens tryk, inducerer disse tilsvarende ændringer i hastighed.

"Vi sammenlignede observationerne med computermodeller for at vise, at de observerede strømme passede smukt til forudsigelser for strømningsmønsteret omkring en nyfødt planet et par gange Jupiters masse, "sagde medforfatter Daniel Price fra Monash University.

Denne nye teknik giver astronomer mulighed for mere præcist at estimere protoplanetære masser og er mindre tilbøjelig til at producere falske positiver. "Vi bringer nu ALMA front og center ind i planetens detektering, "sagde medforfatter Ted Bergin fra University of Michigan.

"Ofte inden for videnskab, ideer viser sig ikke at fungere, eller antagelser viser sig at være forkerte. Dette er et af de tilfælde, hvor resultaterne er meget mere spændende, end jeg havde forestillet mig, "Sagde Birnstiel.

"Disse undersøgelser vil også hjælpe os med at forstå, hvordan planeter som dem i vores solsystem blev født, "sagde medforfatter Francois Menard fra Grenoble University i Frankrig.

Begge hold vil fortsætte med at forfine denne metode og anvende den på andre diske, hvor de håber på bedre at forstå, hvordan atmosfærer dannes, og hvilke grundstoffer og molekyler, der leveres til en planet ved dens fødsel.

Denne forskning blev præsenteret i to artikler, der skulle vises i den samme udgave af Astrofysiske journalbreve . Den første har titlen "Kinematisk bevis for en indlejret protoplanet i en stjerneskive", af C. Pinte et al. og den anden "En kinematisk påvisning af to usynlige Jupiter -masseindlejrede protoplaneter", af R. Teague et al.