Astronomer har för första gången upptäckt månar som bildas på skräpskivan runt en stor exoplanet. Astronomer har under lång tid misstänkt att detta är hur större planeter - som Jupiter i vårt eget solsystem - får sina månar. Det händer allt runt en mycket ung stjärna som heter PDS 70, ungefär 370 ljusår bort i stjärnbilden Centaurus.
"För första gången kan vi slutgiltigt se de tydliga tecknen på en circumplanetary disk ..."
Andrea Isella, huvudförfattare, Rice University
Den accepterade teorin om hur planeter formas kallas nebularhypotesen. Det hela börjar med bildandet av en stjärna i ett enormt gasmoln som kallas ett gigantiskt molekylärt moln (GMC). När stjärnan bildas, formas molnet till en roterande platt platta med gas och damm som kallas en protoplanetärisk skiva, eller circumstellar-skiva. Materie börjar sammanfogas till klumpar på denna disk, och dessa klumpar förvandlas till planeter.
Om massan på en planet som bildas på skivan växer större än cirka 10 jordmassor händer något annat. På grund av sin massa öppnar denna planet ett gap i den protoplanetära disken. När material passerar genom detta gap kan det komma tillräckligt nära planeten att planetens tyngdkraft dominerar värdstjärnans tyngdkraft. Det materialet fångas sedan i en circumplanetary disk (CPD) som roterar runt planeten, som en skiva i en disk.
Mycket av materialet i en circumplanetary skiva ansluts till den formande planeten. Men inte allt. Samma krafter som skapade planeter från circumstellar-skivan fungerar. De kan skapa månar ur materialet som roterar på skivan runt planeten.
Nu har ett team av astronomer upptäckt denna circumplanetary disk och månar som bildas i den för första gången.
Studiens huvudförfattare som beskriver dessa fynd är Andrea Isella, en astronom vid Rice University i Houston, Texas. Resultaten publicerades i The Astrophysical Journal-bokstäver och har titeln "Detection of Continuum Submillimeter Emission Associated with Candidate Protoplanets."
”Planeter bildas från skivor med gas och damm runt nybildande stjärnor, och om en planet är tillräckligt stor kan den bilda sin egen skiva när den samlar material i sin bana runt stjärnan,” sade Isella. "Jupiter och dess månar är till exempel ett litet planetsystem i vårt solsystem och det antas att Jupiters månar bildades från en circumplanetary skiva när Jupiter var mycket ung."
Det händer allt runt stjärnan PDS 70. Den stjärnan var i nyheterna för ett år sedan när astronomer fångade den första någonsin bilden av en nybildande planet på en circumstellar-skiva. Den planeten kallas PDS 70b. Upptäckten var stora nyheter vid den tiden, av goda skäl.
PDS 70b är inte den enda planeten som kretsar runt stjärnan. Det finns en annan planet, PDS 70c, också i bana, och de är båda gasjättar. Båda planeterna upptäcktes av European Southern Observatory (ESO) Very Large Telescope (VLT) i optiska och infraröda. Den varma glödet av väte som sammanfogar sig i planetplanet är det som gav dem bort.
Teamet kombinerade VLT-observationerna med nya radioobservationer från Atacama Large Millimeter / sub-Millimeter Array (ALMA.) Resultatet är övertygande bevis på en protoplanetärisk skiva runt den yttersta stjärnan, PDS 70c.
"För första gången kan vi slutgiltigt se tydliga tecken på en circumplanetary skiva, som hjälper till att stödja många av de nuvarande teorierna om planetbildning," säger Andrea Isella, huvudförfattare.
"Genom att jämföra våra observationer med de högupplösta infraröda och optiska bilderna, kan vi tydligt se att en annars gåtfull koncentration av små dammpartiklar faktiskt är en planetgörande skiv av damm, den första sådana funktion som någonsin slutligen har observerats," sade han. Enligt forskarna är detta också första gången en planet har tydligt sett i dessa tre distinkta ljusband.
En fråga besvarad, en annan ställd
PDS 70b och c visar olika egenskaper, och teamet bakom denna studie är inte riktigt säker på vad det betyder.
"Vad detta är och vad det betyder för detta planetsystem är ännu inte känt."
Andrea Isella, huvudförfattare, Rice University
PDS 70c, parets yttersta stjärna, är lika långt från sin stjärna som Neptunus är från solen. Det är på exakt samma plats som en uppenbar dammknut i ALMA-data. Eftersom denna planet lyser så starkt i ljusets infraröda och väteband, kan astronomerna övertygande säga att en helt bildad planet redan är i en bana där. De ljusa infraröda och vätebanden visar att närliggande gas fortfarande ansluts till planetens yta och slutar sin ungdomstillväxt.
Astronomer uppskattar att PDS 70c är ungefär 1 till 10 gånger massan av Jupiter. "Om planeten är på den större änden av denna uppskattning, är det mycket möjligt att det kan finnas månar i planetstorlek i formningen runt den," konstaterade Isella.
Men PDS 70b har något annat på gång. Planeterna, som är ungefär samma avstånd från sin stjärna som Uranus är från solen, har en massa damm som släpar bakom sig som en svans. Och astronomerna är inte säkra på hur det passar in.
"Vad detta är och vad det betyder för detta planetsystem är ännu inte känt," sade Isella. "Det enda avgörande vi kan säga är att det är tillräckligt långt ifrån planeten att vara en oberoende funktion."
Astronomer är ganska säkra på att processen de kan se att spela runt PDS 70c är samma process som arbetade för att skapa Jupiters månar. Det är emellertid värt att notera att vårt andra solsystem är en annan gasjätt som skiljer sig från Jupiter. Saturnus månar skapades förmodligen till följd av en circumplanetary skiva, men dess iskalla ringar skapades troligen av kometer och andra steniga kroppar som kraschar in i varandra.
Dessa exoplanetära system är notoriskt svåra att observera i optiskt och infrarött ljus. Energin från stjärnan i de delar av spektrumet drunker ut ljuset från planeterna. Men inte för ALMA.
ALMA fokuserar på radiovågor, och stjärnor avger bara radiovågor svagt. Teamet säger att de kan fortsätta att observera PDS 70-systemet med ALMA för att se när det förändras och utvecklas.
"Det betyder att vi kommer att kunna komma tillbaka till det här systemet under olika tidsperioder och lättare kartlägga planets omloppsbana och dammkoncentrationen i systemet," avslutade Isella. "Detta ger oss unika insikter om solsystemens orbitalegenskaper i deras tidigaste utvecklingsstadier."
Upptäckten av denna circumplanetary disk och de troliga månar som bildas i den är intressant i sig, men hur teamet hittade disken lovar också för framtiden. Medan andra har hittats är denna studie den mest övertygande.
"Det finns en handfull kandidatplaneter som har upptäckts på diskar, men det här är ett mycket nytt fält, och de diskuteras fortfarande alla," sade Isella. "(PDS 70 b och PDS 70 c) är bland de mest robusta eftersom det har varit oberoende observationer med olika instrument och tekniker."
I slutsatsen av sitt papper säger författarna: "Vi hävdar att optiska, NIR och (sub) millimeterobservationer är mycket komplementära eftersom de undersöker olika aspekter av planets ackretionsprocesser och påverkas av olika systematiska fel." De noterar också att ALMA ensam inte kan utföra arbetet. Genom att kombinera de olika observationerna har de öppnat dessa exoplaneter och deras diskar till en mer detaljerad studie.
Från studien: ”Eftersom ALMA och befintliga optiska teleskoper når sina fullständiga avbildningsförmågor, kan kommande observationer av närliggande cirkumstellarskivor som kännetecknas av håligheter och luckor som de som observerats i PDS 70, avslöja fler nyfödda planeter som interagerar med deras nataldisk. Sådana iakttagelser är grundläggande för att undersöka de processer som är ansvariga för bildandet av planetariska system. ”
Källor:
- Pressmeddelande: "Månbildande" circumplanetary disk upptäckt i avlägset stjärnsystem
- Pressmeddelande: Månbildande skiva upptäckt runt en avlägsen planet
- Forskningsdokument: Upptäckt av emission av kontinuerlig submillimeter associerad med kandidatprotoplaneter
