Epoken med planetdannelse, gange tyve

Astronomer har katalogiseret næsten 4, 000 exoplaneter i kredsløb om fjerne stjerner. Selvom opdagelsen af ​​disse nyfundne verdener har lært os meget, der er stadig meget, vi ikke ved om fødslen af ​​planeter og de præcise kosmiske opskrifter, der afføder den brede vifte af planetariske kroppe, vi allerede har afsløret, herunder såkaldte varme Jupiters, massive klippeverdener, iskolde dværgplaneter, og - forhåbentlig snart en dag - fjerne analoger af Jorden.

For at hjælpe med at besvare disse og andre spændende spørgsmål, et hold af astronomer har udført ALMAs første store, højopløsningsundersøgelse af protoplanetariske diske, bælterne af støv og gas omkring unge stjerner.

Kendt som Disk Substructures at High Angular Resolution Project (DSHARP), dette "store program" af Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) har givet forbløffende, højopløsningsbilleder af 20 nærliggende protoplanetariske diske og givet astronomer ny indsigt i de mange funktioner, de indeholder, og den hastighed, hvormed planeter kan dukke op.

Resultaterne af denne undersøgelse vil blive vist i et særligt fokusnummer af Astrofysiske tidsskriftsbreve .

Ifølge forskerne, den mest overbevisende fortolkning af disse observationer er, at store planeter, sandsynligvis ligner Neptun eller Saturn i størrelse og sammensætning, dannes hurtigt, meget hurtigere end den nuværende teori ville tillade. Sådanne planeter har også en tendens til at dannes i de ydre rækker af deres solsystemer i enorme afstande fra deres værtsstjerner.

En sådan tidlig formation kunne også hjælpe med at forklare, hvor stenet, Verdener på størrelse med jorden er i stand til at udvikle sig og vokse, overlever deres formodede selvdestruktive ungdomsår.

"Målet med denne månedlange observationskampagne var at søge efter strukturelle fællestræk og forskelle i protoplanetariske skiver. ALMAs bemærkelsesværdigt skarpe syn har afsløret tidligere usete strukturer og uventet komplekse mønstre, " sagde Sean Andrews, en astronom ved Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) og leder af ALMA-observationskampagnen, sammen med Andrea Isella fra Rice University, Laura Pérez fra University of Chile, og Cornelis Dullemond fra Heidelberg Universitet. "Vi ser tydelige detaljer omkring et bredt udvalg af unge stjerner af forskellig masse. Den mest overbevisende fortolkning af disse meget forskelligartede, småskalaegenskaber er, at der er usete planeter, der interagerer med skivematerialet."

De førende modeller for planetdannelse hævder, at planeter er født af den gradvise ophobning af støv og gas inde i en protoplanetarisk skive, begyndende med korn af iskoldt støv, der smelter sammen og danner større og større sten, indtil asteroider, planetesimals, og planeter dukker op. Denne hierarkiske proces skulle tage mange millioner år at udfolde sig, tyder på, at dens indvirkning på protoplanetariske diske ville være mest udbredt hos ældre, mere modne systemer. Montering af beviser, imidlertid, indikerer, at det ikke altid er tilfældet.

ALMAs tidlige observationer af unge protoplanetariske skiver, nogle kun omkring en million år gamle, afslører overraskende veldefinerede strukturer, inklusive fremtrædende ringe og mellemrum, som ser ud til at være planeternes kendetegn. Astronomer var oprindeligt forsigtige med at tilskrive disse egenskaber til planeternes handlinger, da andre naturlige processer kunne være på spil.

"Det var overraskende at se mulige signaturer af planetdannelse i de allerførste højopløsningsbilleder af unge diske. Det var vigtigt at finde ud af, om disse var anomalier, eller om disse signaturer var almindelige i diske, " sagde Jane Huang, en kandidatstuderende ved CfA og et medlem af forskerteamet.

Da den første prøve af diske, som astronomer kunne studere, var så lille, imidlertid, det var umuligt at drage nogen overordnede konklusioner. Det kunne have været, at astronomer observerede atypiske systemer. Flere observationer på en række protoplanetariske diske var nødvendige for at bestemme de mest sandsynlige årsager til de funktioner, de så.

DSHARP-kampagnen blev designet til at gøre netop det ved at studere den relativt lille fordeling af støvpartikler omkring 20 nærliggende protoplanetariske skiver. Disse støvpartikler lyser naturligt i millimeter-bølgelængdelys, gør det muligt for ALMA præcist at kortlægge tæthedsfordelingen af ​​små, faste partikler omkring unge stjerner.

Afhængigt af stjernens afstand fra Jorden, ALMA var i stand til at skelne træk så små som nogle få astronomiske enheder. (En astronomisk enhed er Jordens gennemsnitlige afstand til Solen - omkring 150 millioner kilometer, som er en nyttig skala til at måle afstande på skalaen af ​​stjernesystemer). Ved at bruge disse observationer, forskerne var i stand til at afbilde en hel population af nærliggende protoplanetariske diske og studere deres AU-skala funktioner.

Forskerne fandt ud af, at mange understrukturer - koncentriske huller, smalle ringe - er fælles for næsten alle diske, mens storskala spiralmønstre og bue-lignende funktioner også er til stede i nogle af tilfældene. Også, skiverne og hullerne er til stede i en lang række afstande fra deres værtsstjerner, fra nogle få AU til mere end 100 AU, hvilket er mere end tre gange afstanden fra Neptun til vores sol.

Disse funktioner, som kunne være aftryk af store planeter, kan forklare, hvordan klippefyldte planeter i jordstørrelse er i stand til at dannes og vokse. I årtier, astronomer har undret sig over en stor hindring i planetdannelsesteorien:Når støvede legemer vokser til en vis størrelse - omkring en centimeter i diameter - ville dynamikken i en glat protoplanetarisk skive få dem til at falde ind på deres værtsstjerne, aldrig opnå den nødvendige masse for at danne planeter som Mars, Venus, og Jorden.

De tætte ringe af støv, vi nu ser med ALMA, ville skabe et sikkert tilflugtssted for klippeverdener til at modnes fuldt ud. Deres højere tætheder og koncentrationen af ​​støvpartikler ville skabe forstyrrelser i skiven, danner zoner, hvor planetesimaler ville have mere tid til at vokse til fuldgyldige planeter.

"Da ALMA virkelig afslørede sine muligheder med sit ikoniske billede af HL Tau, vi måtte spekulere på, om det var en afvigelse, da disken var forholdsvis massiv og ung, " bemærkede Pérez. "Disse seneste observationer viser, at selvom det er slående, HL Tau er langt fra usædvanlig og kan faktisk repræsentere den normale udvikling af planeter omkring unge stjerner."