Rogues galleri af støvede stjernesystemer afslører exoplanetplanteskoler

Astronomer udgav i denne måned den største samling af skarpe, detaljerede billeder af affaldsskiver omkring unge stjerner, viser det store udvalg af former og størrelser af stjernesystemer i løbet af deres primære planetdannende år. Overraskende nok, næsten alle viste tegn på planeter.

Billederne blev taget over en periode på fire år med et præcisionsinstrument, Gemini Planet Imager (GPI), monteret på det 8 meter lange Gemini South teleskop i Chile. GPI'en bruger et avanceret adaptivt optiksystem til at fjerne atmosfærisk sløring, giver de skarpeste billeder til dato af mange af disse diske.

Jordbaserede instrumenter som GPI, som bliver opgraderet til at udføre lignende observationer på den nordlige himmel fra Gemini North Telescope på Hawaii, kan være en måde at screene stjerner med formodede snavsskiver for at afgøre, hvilke der er værd at målrette mod af mere kraftfulde, men dyrt, teleskoper til at finde planeter – især, beboelige planeter. Flere 20-, 30- og 40-meter teleskoper, såsom Giant Magellan Telescope og Extremely Large Telescope, vil komme online i løbet af de næste par årtier, mens det kredsende James Webb-rumteleskop forventes at blive opsendt i 2021.

"Det er ofte lettere at opdage den støvfyldte skive end planeterne, så du opdager støvet først, og så ved du at pege dit James Webb-rumteleskop eller dit Nancy Grace romerske rumteleskop mod disse systemer, skære ned på antallet af stjerner, du skal gennemsøge for at finde disse planeter i første omgang, " sagde Tom Esposito, en postdoc ved University of California, Berkeley.

Esposito er førsteforfatter til et papir, der beskriver resultaterne, der udkom 15. juni i Det astronomiske tidsskrift .

Kometbælter omkring andre stjerner

Affaldsskiverne på billederne svarer til Kuiperbæltet i vores solsystem, et koldt rige omkring 40 gange længere fra Solen end Jorden – ud over Neptuns kredsløb – og fuld af sten, støv og is, der aldrig blev en del af nogen planet i vores solsystem. Kometer fra bæltet - kugler af is og sten - fejer periodisk gennem det indre solsystem, lejlighedsvis forårsager kaos på jorden, men også at levere livsrelaterede materialer som vand, kulstof og ilt.

Af de 26 billeder af snavsskiver, der er opnået af Gemini Planet Imager (GPI), 25 havde "huller" omkring den centrale stjerne, der sandsynligvis blev skabt af planeter, der fejede sten og støv op. Syv af de 26 var tidligere ukendte; tidligere billeder af de andre 19 var ikke så skarpe som dem fra GPI og havde ofte ikke opløsningen til at registrere et indre hul. Undersøgelsen fordobler antallet af affaldsdiske, der afbildes i så høj opløsning.

"En af de ting, vi fandt, er, at disse såkaldte diske virkelig er ringe med indre lysninger, " sagde Esposito, som også er forsker ved SETI Institute i Mountain View, Californien. "GPI havde et klart overblik over de indre områder tæt på stjernen, hvorimod tidligere, Observationer fra Hubble-rumteleskopet og ældre instrumenter fra jorden kunne ikke se tæt nok på stjernen til at se hullet omkring den."

GPI'en inkorporerer en koronagraf, der blokerer lyset fra stjernen, lader den se så tæt som en astronomisk enhed (AU) fra stjernen, eller Jordens afstand fra vores sol:93 millioner miles.

GPI'en målrettede 104 stjerner, der var usædvanligt klare i infrarødt lys, hvilket indikerer, at de var omgivet af affald, der reflekterede stjernens lys, eller opvarmet af stjernen. Instrumentet registrerede polariseret nær-infrarødt lys spredt af små støvpartikler, omkring en tusindedel af en millimeter (1 mikron) i størrelse, sandsynligvis resultatet af sammenstød mellem større sten i en affaldsskive.

"Der har ikke været nogen systematisk undersøgelse af unge affaldsskiver nær så store, ser med det samme instrument, bruger de samme observationsmåder og metoder, " Esposito sagde. "Vi opdagede disse 26 affaldsdiske med meget ensartet datakvalitet, hvor vi virkelig kan sammenligne observationerne, noget, der er unikt med hensyn til affaldsdiskundersøgelser."

De syv affaldsskiver, der aldrig før er afbildet på denne måde, var blandt 13 skiver omkring stjerner, der bevægede sig sammen gennem Mælkevejen, medlemmer af en gruppe kaldet Scorpius-Centaurus stjerneforeningen, som er placeret mellem 100 og 140 parsecs fra Jorden, eller omkring 400 lysår.

"Det er ligesom det perfekte fiskested; vores succesrate var meget større end noget andet, vi nogensinde har gjort, " sagde Paul Kalas, en UC Berkeley adjungeret professor i astronomi, som er anden forfatter af papiret. Fordi alle syv er omkring stjerner, der blev født i det samme område på nogenlunde samme tidspunkt, "denne gruppe er i sig selv et mini-laboratorium, hvor vi kan sammenligne og kontrastere arkitekturen i mange planetariske planteskoler, der udvikler sig samtidigt under en række forhold, noget, som vi virkelig ikke havde før, " tilføjede Esposito.

Af de 104 observerede stjerner, 75 havde ingen disk af en størrelse eller tæthed, som GPI kunne detektere, selvom de godt kan være omgivet af affald, der er tilbage fra planetdannelsen. Tre andre stjerner blev observeret som vært for diske, der tilhørte den tidligere "protoplanetariske" fase af evolutionen.

Hvordan så vores solsystem ud i sin vorden?

Udstrækningen af ​​affaldsskiverne varierede meget, men de fleste lå mellem 20 og 100 AU. Disse var omkring stjerner, der varierede i alder fra titusinder af millioner år til et par hundrede millioner år, en meget dynamisk periode for planeternes udvikling. De fleste var større og lysere end solen.

Den ene stjerne, HD 156623, der ikke havde et hul i midten af ​​affaldsskiven var en af ​​de yngste i gruppen, som passer med teorier om, hvordan planeter dannes. I første omgang, den protoplanetariske skive skal være relativt ensartet, men efterhånden som systemet ældes, planeter dannes og fejer den indre del af skiven ud.

"Når vi ser på yngre cirkumstellare diske, ligesom protoplanetariske diske, der er i en tidligere fase af udviklingen, når planeter dannes, eller før planeter er begyndt at dannes, der er meget gas og støv i de områder, hvor vi finder disse huller i de ældre affaldsskiver, " sagde Esposito. "Noget har fjernet det materiale over tid, og en af ​​måderne du kan gøre det på er med planeter."

Fordi polariseret lys fra affaldsskiver teoretisk kan fortælle astronomer sammensætningen af ​​støvet, Esposito håber at forfine modeller for at forudsige sammensætningen - især, at opdage vand, hvilket menes at være en betingelse for livet.

Undersøgelser som disse kunne hjælpe med at besvare et dvælende spørgsmål om vores eget solsystem, sagde Kalas.

"Hvis du skruer uret tilbage for vores eget solsystem med 4,5 milliarder år, hvilken af ​​disse diske var vi? Var vi en smal ring, eller var vi en sløret klat?" sagde han. "Det ville være dejligt at vide, hvordan vi så ud dengang for at forstå vores egen oprindelse. Det er det store ubesvarede spørgsmål."