Kæmpeplaneter og kometer, der kæmper på den cirkumstellare skive omkring HD 163296

I en undersøgelse, der i dag vises i Astrofysisk tidsskrift , et INAF-lederhold af forskere undersøgte, om de unormale træk i støv- og gasfordelingerne af HD 163296's skive afsløret af ALMA's observationer kunne opstå fra de gigantiske planeters interaktion med planetesimaler, en komponent af disken, som man tidligere ikke havde taget højde for.

De cirkumstellare skiver, der består af gas og støv, der omgiver unge dannende stjerner, er det miljø, hvor planeterne bliver født. Deres støv er det byggemateriale, hvorfra planeterne begynder deres vækst og, som et resultat af dets inkorporering i planetariske legemer, dens overflod forventes at falde over tid. Siden de første billeder af de lyse koncentriske ringe på den cirkumstellare skive omkring HL Tau, ALMA har revolutioneret vores syn på cirkumstellære diske ved at afsløre den udbredte tilstedeværelse af en række småskalastrukturer (huller, ringe og spiralarme) i deres gas og støv, de fleste af dem mente at være forbundet med tilstedeværelsen af ​​unge planeter og at opstå fra samspillet mellem deres tyngdekraft og deres omgivende miljø.

Blandt de bedst undersøgte diske, som ALMA har observeret, er den omkring HD 163296, en 5 Myr gammel stjerne, der er cirka dobbelt så stor som solens masse. HD 163296's disk er både massiv (en smule mindre end en tiendedel af solens masse) og bred (ca. 500 AU, to gange den ydre grænse af Kuiperbæltet i solsystemet) og er blevet foreslået at være hjemsted for mindst tre planeter med masser mellem det dobbelte af Uranus og Jupiters. ALMAs seneste observationer gjorde det muligt rumligt og kompositorisk at karakterisere strukturen af ​​HD 163296's skive til et niveau, man hidtil ikke havde kunnet drømme om, og viste, hvordan støv stadig er ret rigeligt (mere end 300 gange Jordens masse) på denne skive på trods af dens alder og har produceret. mindst tre gigantiske planeter. De samme observationer afslørede også nogle mærkelige opførsel af støvets rumlige fordeling, som ikke let kunne forklares kun som et resultat af dets samspil med gassen og de nydannede kæmpeplaneter.

Støv forventes at migrere indad fra de ydre områder af skiven på grund af dets kobling og friktion med gassen, men det forventes også at blive stoppet i sin migration af massive planeter. Som et resultat af denne indadgående strøm, støv skulle med tiden forsvinde fra området umiddelbart inde i HD 163296's inderste planet. På samme tid, støv, der kommer fra de ydre områder af skiven, bør hobe sig op uden for den anden og tredje planets kredsløb. ALMAs observationer afslørede i stedet, at områderne inde i den første planet og mellem den første og anden planet har nogle af de højeste koncentrationer af støv på hele skiven. I en undersøgelse, der vises i dag om Astrofysisk tidsskrift , et team af forskere undersøgte, om disse unormale træk kunne opstå fra de gigantiske planeters interaktion med en komponent af skiven, som man tidligere ikke havde redegjort for:planetesimalerne.

"Fra undersøgelsen af ​​solsystemet ved vi, at modne cirkumstellare skiver som HD 163296 ikke kun består af gas og støv, men indeholder også en usynlig population af små planetariske objekter, der ligner vores asteroider og kometer" forklarer Diego Turrini, hovedforfatter af undersøgelsen og forsker ved Institute for Space Astrophysics and Planetary Science (IAPS) under det italienske nationale institut for astrofysik (INAF). "Vi ved også, at udseendet af gigantiske planeter påvirker disse planetesimaler ved i deres orbitale udvikling at forårsage en kort, men intens stigning af dynamisk excitation, som, mens kort ud fra et planetsystems lange levetid, kan have en varighed, der kan sammenlignes med levetiden for circumstellare skiver, " siger Turrini.

Holdet spekulerede på, om disse interaktioner mellem HD 163296's unge kæmpeplaneter og de usynlige planetesimaler kunne producere de observerede anomalier i støvfordelingen. Simuleringerne de udførte viste, hvordan under væksten af ​​de tre gigantiske planeter, en større og større brøkdel af den omgivende befolkning af planetesimaler injiceres på meget excentriske og meget skrå baner svarende til kometernes i solsystemet. "Det vigtigste resultat af denne dynamiske excitation er en højere frekvens af voldsomme kollisioner mellem planetesimalerne, " forklarer Francesco Marzari, professor ved University of Padova og medforfatter til undersøgelsen.

Da de analyserede resultatet af de dynamiske simuleringer gennem en kollisionsmodel, holdet fandt ud af, at kollisioner mellem planetesimaler forbliver ret blide, indtil de gigantiske planeter nærmer sig deres endelige masser, men så vokser de hurtigt hundrede gange i vold og begynder at male planetesimalerne ned. "Disse voldsomme kollisioner genopbygger støvbestanden i disken, " siger Marzari "Det nye støv produceret af denne proces, imidlertid, har en anden kredsløbsfordeling end den oprindelige og er hovedsageligt koncentreret to steder:kredsløbsområdet inden for den første gigantiske planet og ringen mellem den første og den anden gigantiske planet." De samme to områder, hvor ALMAs observationer afslørede de største uoverensstemmelser med hvad der teoretisk var forventet.

Holdet fandt ud af, at den dynamiske excitation forårsaget af udseendet af de tre gigantiske planeter stadig skulle virke til dato på planetesimalerne indlejret i HD 163296's disk. Forfatterne fandt også, at den resulterende vedvarende kollisionsproduktion af støv er i stand til at injicere snesevis af jordmasser af støv i disse to orbitale områder, forklare ALMAs observationer også fra et kvantitativt synspunkt. "Hidtil var det kun muligt at studere denne form for proces, mens den fandt sted i circumstellare diske gennem simuleringer, " siger Turrini. "Takket være ALMA vil vi måske nu være i stand til at studere det, mens det sker, og lære en masse om samspillet mellem planetarisk dannelse og det omgivende miljø."

"Den hurtige hastighed, hvormed ALMA leverer nye og mere detaljerede data om HD 163296, gjorde det muligt for os at udvide vores undersøgelse ud over dets oprindelige omfang, " forklarer Danai Polychroni, medforfatter til undersøgelsen og dengang professor ved Universidad de Atacama og adjungeret forsker ved INAF-IAPS. "Vi har bemærket, at mange planetesimaler er begejstrede for supersoniske hastigheder i forhold til den omgivende gas på disken og kan skabe stødbølger, der kan opvarme både planetesimaler og gas. Selvom vi endnu ikke kunne modellere denne proces i detaljer, nylige observationer rapporterede den uventede tilstedeværelse af CO-gas i områder, der er karakteriseret ved temperaturer, hvor den skulle være fastfrosset, og af mulige anomalier i skivens termiske struktur. Begge fund kan bl. i princippet, forklares takket være tilstedeværelsen af ​​disse supersoniske planetesimaler og de chokbølger, de skaber."

"Denne undersøgelse blev startet som et stifinderprojekt for at undersøge, om den dynamiske excitation forårsaget af nydannede gigantiske planeter faktisk kunne producere observerbare effekter. Som sådan, vi har lige ridset overfladen af ​​denne proces og dens implikationer, " siger Leonardo Testi, også medforfatter til undersøgelsen og leder af ALMA Support Center for European Southern Observatory og INAF-forsker på orlov. "Alligevel, dens fysiske opskrift er ret enkel:massive planeter dannes i en skive af planetesimaler. I betragtning af de udbredte signaturer af mulige unge kæmpeplaneter, vi opdager med ALMA, og den forlængede varighed af de dynamiske effekter forårsaget af deres udseende, vi kigger måske efter en proces, der er ret almindelig blandt cirkumstellare diske."

"Konteksten for arbejdet ledet af Diego Turrini er en af ​​søjlerne i GENESIS-synergien, " forklarer Claudio Codella (INAF-Osservatorio Astrofisico di Arcetri), Hovedefterforsker af GENESIS-SKA-projektet, finansieret af INAF. "GENESIS-SKA (www.genesis.inaf.it) er et nationalt projekt, hvor mere end 60 forskere fra 8 INAF-institutter arbejder tæt sammen med det overordnede mål at undersøge betingelserne, der er gunstige for opkomsten af ​​planetsystemer svarende til vores solsystem ."

"Resultaterne af dette projekt, " tilføjer Codella, "vil også være af ekstrem betydning for studiet af den kemiske sammensætning af gassen, der befinder sig i de områder, hvor planeter vil dannes, og, eventuelt, af deres atmosfærer."