Jakten på andra planeter i vår galax har värmts upp under de senaste decennierna, med 3869 planeter som upptäcktes i 2 866 system och ytterligare 2 898 kandidater väntar på bekräftelse. Även om upptäckten av dessa planeter har lärt forskare mycket om de typer av planeter som finns i vår galax, finns det fortfarande mycket som vi inte vet om processen för planetbildning.
För att svara på dessa frågor använde ett internationellt team nyligen Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA) för att genomföra den första storskaliga, högupplösta undersökningen av protoplanetära diskar runt stjärnor i närheten. Känt som disksubstruktioner vid högvinkelupplösningsprojekt (DSHARP) gav detta program högupplösta bilder av 20 närliggande system där damm och gas var i processen att bilda nya planeter.
Deras resultat delades i en serie av tio artiklar som kommer att visas i en specialutgåva av The Astrophysical Journal Letters. Det ansvariga teamet inkluderade medlemmar från Harvard Smithsonian Center for Astrophysics (CfA), Joint ALMA Observatory och flera observatorier, forskningsinstitut och universitet.
I båda fallen noterade DSHARP-forskarna förekomsten av luckor i skivan som var långt från den centrala stjärnan och tycktes avgränsa de inre och yttre delarna av disken. De resulterande ringarna var också tätt packade eller bildade tunnare band, beroende på deras avstånd från stjärnan. Dessa mönster, antydde de, kunde vara resultatet av en osynlig planetkamrat som stör på disken.
En annan möjlighet är att diskstrukturerna utsätts för en global instabilitet som liknar dem som ses i spiralgalaxier (som Vintergatan). Enligt forskarna är den mest övertygande förklaringen att stora planeter (som gasjättar) främst bildades i de yttre delarna av skivorna, vilket skulle tyda på att planetbildning bildas mycket snabbare än de nuvarande teorierna om planetbildning tillåter.
Denna möjliga förklaring skulle också hjälpa till att förklara hur markplaneter (dvs steniga och liknande i storlek till Jorden) som bildar närmare deras stjärnor kan överleva de tidiga stadierna av deras bildning. Sean Andrews, en astronom vid Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) och en av ledarna * för ALMA-observationskampanjen, förklarade betydelsen av dessa fynd i ett pressmeddelande från NRAO:
”Målet med denna månader långa observatörskampanj var att söka efter strukturella gemensamheter och skillnader i protoplanetära diskar. ALMAs anmärkningsvärda skarpa vision har avslöjat tidigare osynliga strukturer och oväntat komplexa mönster. Vi ser tydliga detaljer kring ett brett sortiment av unga stjärnor i olika massor. Den mest övertygande tolkningen av dessa mycket olika, småskaliga funktioner är att det finns osynliga planeter som interagerar med skivmaterialet. ”
Enligt de ledande modellerna för planetbildning bildas planeter av den gradvisa ansamlingen av damm och gas i en protoplanetärisk skiva. Detta börjar med korn av damm som samverkar för att bilda större och större stenar tills asteroider, planestesimaler och planeter dyker upp. Denna process tros ta miljoner år, vilket innebär att protoplanetära diskar i äldre system skulle bli mer synliga påverkas av den.
Men tidiga observationer utförda av ALMA indikerade att många unga protoplanetära diskar hade väl definierade strukturer som ringar och luckor. Dessa funktioner är vanligtvis förknippade med förekomsten av planeter och hittades till och med i några få system som bara var en miljon år gammal. Som Jane Huang, en doktorand vid CfA och en medlem av forskarteamet, förklarade:
”Det var förvånande att se möjliga signaturer av planetbildning i de allra första högupplösta bilderna av unga diskar. Det var viktigt att ta reda på om detta var avvikelser eller om dessa signaturer var vanliga på diskar. ”
Eftersom den tidiga provuppsättningen var så liten, var DSHARP-kampanjen monterad för att observera andra protoplanetära diskar för jämförelse. Eftersom det är känt att dammpartiklar glöder i millimetervåglängden kunde kampanjteamet använda ALMA-arrayen för att exakt kartlägga densitetsfördelningen för dammbälten runt unga stjärnsystem och (beroende på stjärnans avstånd) för att kartlägga funktioner som små som några astronomiska enheter.
I slutändan fann forskarteamet att många av substrukturerna (dvs koncentriska luckor och smala ringar) var vanliga för nästan alla skivor, medan storskaliga spiralmönster och bågliknande funktioner var mer sällsynta. De fann också att skivorna och luckorna var närvarande på ett brett spektrum av avstånd från deras värdstjärnor - allt från några AU till mer än hundra.
Som noterats kan dessa observationer hjälpa till att lösa ett varaktigt mysterium när det gäller teorier om planetbildning. Konkret har astronomer undrat hur planeter kan bildas när dynamiken hos en slät protoplanetärisk skiva skulle leda till att någon kropp som är mer än en centimeter i diameter föll in i värdstjärnan. Under dessa omständigheter bör steniga föremål större än en asteroid inte existera.
I huvudsak skulle de täta ringarna av damm som teamet observerade skapa störningar på disken, vilket kan skapa zoner där planetesimaler skulle vara säkra och ha den tid de behövde för att växa till planeter. Som Laura Perez, en forskare vid University of Chile och en medlem av forskargruppen, indikerade:
”När ALMA verkligen avslöjade sina förmågor med sin ikoniska bild av HL Tau, var vi tvungna att undra om det var en överliggande eftersom skivan var relativt massiv och ung. Dessa senaste observationer visar att HL Tau, trots slående, långt ifrån ovanligt och kan representera den normala utvecklingen av planeter runt unga stjärnor. ”
Denna forskning visar hur kraftfullt instrument och vetenskapligt samarbete har idag. Tack vare förmågan att se mer och se längre kan forskare testa astronomiska teorier som aldrig tidigare. Och i processen bekräftas och utmanas våra mest grundläggande uppfattningar om hur universum blev.
Se till att njuta av denna animering av hur en protoplanetärisk skiva ser ut, med tillstånd av NRAO Outreach-programmet:
* De andra ledarna för ALMA-observatörskampanjen är Andrea Isella från Rice University, Laura Pérez från University of Chile och Cornelis Dullemond från Heidelberg University.
