För första gången har astronomer i enastående detalj observerat de processer som ger upphov till stjärnor och planeter i framväxande solsystem. Med hjälp av båda Keck-teleskop på Mauna Kea på Hawaii utrustade med ett specifikt konstruerat instrument med namnet ASTRA (ASTrometrisk och fasreferenserad astronomi) kunde Joshua Eisner från University of Arizona och hans kollegor kika djupt in i protoplanetära diskar - virvlande gasmoln och damm som matar den växande stjärnan i dess centrum och så småningom smälter samman till planeter och asteroider för att bilda ett solsystem. Det de såg är att ge insikt i hur vätgas från den protoplanetära skivan införlivas i stjärnan.
För att få den extremt fina upplösningen som krävs för att observera de processer som sker vid gränsen mellan stjärnan och dess omgivande skiva 500 ljusår från jorden, kombinerade teamet ljuset från de två Keck-teleskopen, vilket ger en vinkelupplösning finare än Hubbles . Eisner och hans team använde också en teknik som kallas spektroastrometri för att öka upplösningen ännu mer. Genom att mäta ljuset som härstammar från de protoplanetära skivorna vid olika våglängder med både Keck-teleskopspeglar och manipulera det ytterligare med ASTRA, uppnådde forskarna den upplösning som behövs för att observera processer i centrum av de framväxande solsystemen.
"Den vinkelupplösning du kan uppnå med Hubble Space Telescope är ungefär 100 gånger för grov för att kunna se vad som händer precis utanför en framväxande stjärna som inte är mycket större än vår sol," sade Eisner. Med andra ord, till och med en protoplanetär disk som är tillräckligt nära för att betraktas i närheten av vårt solsystem skulle framstå som en fullständig klump.
Med denna nya teknik kunde teamet skilja mellan fördelningen av gas, mestadels bestående av väte och damm, och därmed lösa diskens funktioner.
"Vi kunde komma riktigt, riktigt nära stjärnan och titta rätt på gränssnittet mellan den gasrika protoplanetära disken och stjärnan," sade Eisner.
Protoplanetära skivor bildas i stellar plantskolor när moln av gasmolekyler och dammpartiklar börjar kollapsa under påverkan av gravitation.
Ursprungligen roterar långsamt, molnets växande massa och gravitation gör att det blir tätare och mer kompakt. Bevarandet av rotationsmoment påskyndar molnet när det krymper, precis som en konståkare snurrar snabbare när hon släpper i armarna. Centrifugalkraften plattar molnet in i en snurrande skiva av virvlande gas och damm, vilket så småningom ger upphov till planeter som kretsar runt deras stjärna i ungefär samma plan.
Astronomer vet att stjärnor förvärvar massa genom att införliva en del av vätgas i skivan som omger dem, i en process som kallas ackretion, vilket kan hända på ett av två sätt.
I ett scenario sväljs gas när den tvättas upp till stjärnans eldiga yta.
I det andra, mycket mer våldsamma scenariot, skjuter de magnetiska fälten som sveper från stjärnan tillbaka den närmande gasen och får den att gälla, vilket skapar ett gap mellan stjärnan och dess omgivande skiva. I stället för att hoppa vid stjärnans yta, går väteatomerna längs magnetfältlinjerna som på en motorväg och blir supervärmda och joniserade i denna process.
"När den fångats i stjärnans magnetfält, trattas gasen ut längs fältlinjerna och väljer sig högt över och under diskens plan," förklarade Eisner. "Materialet kraschar sedan i stjärnens polära regioner med hög hastighet."
I detta inferno, som släpper energin från miljontals atombombar i Hiroshima-storleken varje sekund, matas ut något av båggasflödet från skivan och spytas långt ut i rymden som interstellar vind.
"Vi vill förstå hur materialet förenar sig med stjärnan," sade Eisner. "Den här processen har aldrig uppmättts direkt."
Eisners team pekade teleskopen mot 15 protoplanetära skivor med unga stjärnor som varierade i massan mellan hälften och tio gånger så mycket som vår sol.
"Vi kunde framgångsrikt urskilja att gasen i de flesta fall konverterar en del av dess kinetiska energi till ljus väldigt nära stjärnorna", sa han, ett berättande tecken på det mer våldsamma tillträdesscenariot.
"I andra fall såg vi bevis på att vindar som sjösattes ut i rymden tillsammans med material som anslutit sig till stjärnan," tillade Eisner. "Vi hittade till och med ett exempel - runt en mycket hög massa-stjärna - där disken kan nå hela vägen till den stellar ytan."
Solsystemen som astronomerna valde för denna studie är fortfarande unga, antagligen några miljoner år gamla.
"Dessa diskar kommer att finnas kvar i några miljoner år mer," sade Eisner. "Vid den tiden kan de första planeterna, gasjättar som liknar Jupiter och Saturnus, bildas och använda upp mycket av skivmaterialet."
Mer solida, klippiga planeter som Jorden, Venus eller Mars kommer inte att finnas förrän mycket senare.
"Men byggstenarna för dem kan bildas nu," sade han, varför denna forskning är viktig för vår förståelse för hur solsystem bildas, inklusive de med potentiellt bebodda planeter som Jorden.
"Vi kommer att se om vi kan göra liknande mätningar av organiska molekyler och vatten i protoplanetära skivor," sade han. "Det skulle vara sådana som potentiellt ger upphov till planeter med villkoren för att hamna liv."
Lagets uppsats publicerades i Astrophysical Journal
Papper: Eisner et al. Rumsligt och spektralt löst vätgas inom 0,1 AU från T Tauri och Herbig Ae / Be Stars.
Källa: University of Arizona
