Ett av de för närvarande hetaste astrofysiska ämnena - jakten på jordliknande planeter runt andra stjärnor - har just fått en viktig drivkraft från nya spektrala observationer med MIDI-instrumentet vid ESO VLT Interferometer (VLTI).
Ett internationellt team av astronomer [2] har erhållit unika infraröda spektra av dammet i de inre regionerna av de proto-planetära skivorna runt tre unga stjärnor - nu i ett tillstånd som kanske är mycket likt det i vårt solsystem i tillverkningen, cirka 4500 för miljoner år sedan.
Rapportera i veckans utgåva av vetenskapstidsskriftet Nature, och tack vare den ojämlika, skarpa och genomträngande synen på interferometri, visar de att i alla tre är de rätta ingredienserna närvarande på rätt plats för att starta bildandet av steniga planeter på dessa stjärnor.
"Sand" i de inre regionerna av stjärnskivor
Solen föddes för cirka 4500 miljoner år sedan från ett kallt och massivt moln av interstellär gas och damm som kollapsade under sin egen tyngdkraft. En dammig skiva var närvarande runt den unga stjärnan, där jorden och andra planeter, såväl som kometer och asteroider senare bildades.
Denna epok är för länge borta, men vi kan fortfarande bevittna samma process genom att observera den infraröda utsläppet från mycket unga stjärnor och de dammiga protoplanetära skivorna runt dem. Hittills har dock den tillgängliga instrumenteringen inte tillåtit en undersökning av fördelningen av de olika komponenterna i dammet i sådana skivor; även de närmaste kända är för långt borta för att de bästa enskilda teleskopen ska kunna lösa dem. Men nu, som Francesco Paresce, projektforskare för VLT-interferometern och en medlem av teamet från ESO förklarar, “Med VLTI kan vi kombinera ljuset från två väl separerade stora teleskop för att få en oöverträffad vinkelupplösning. Detta har gjort det möjligt för oss för första gången att kika direkt in i det inre området på skivorna runt några närliggande unga stjärnor, precis på den plats där vi förväntar oss att planeter som vår jord bildas eller snart kommer att bildas.
Specifikt har nya interferometriska observationer av tre unga stjärnor av ett internationellt team [2], som använder den kombinerade kraften hos två 8,2 m VLT-teleskop med hundra meters mellanrum, uppnått tillräcklig bildskärpa (cirka 0,02 arcsec) för att mäta den infraröda emissionen från inre området av skivorna runt tre stjärnor (motsvarande ungefär storleken på jordens bana runt solen) och utsläppet från den yttre delen av dessa skivor. Motsvarande infraröda spektra har gett avgörande information om den kemiska sammansättningen av dammet i skivorna och även om den genomsnittliga kornstorleken.
Dessa slingrande observationer visar att den inre delen av skivorna är mycket rik på kristallina silikatkorn ("sand") med en medeldiameter på cirka 0,001 mm. De bildas av koagulering av mycket mindre, amorfa dammkorn som var allmänt i det interstellära molnet som födde stjärnorna och deras skivor.
Modellberäkningar visar att kristallina korn bör finnas rikligt närvarande i den inre delen av skivan vid tidpunkten för jordbildning. I själva verket består meteoriterna i vårt eget solsystem huvudsakligen av denna typ av silikat.
Den holländska astronomen Rens Waters, medlem av teamet från Astronomical Institute of Amsterdam, är entusiastisk: ”Med alla ingredienser på plats och bildandet av större korn från damm redan började, bildades större och större bitar av sten och slutligen är jordliknande planeter från dessa skivor nästan oundvikliga! ”
Transformera kornen
Det har varit känt under en längre tid att det mesta av dammet i skivor kring nyfödda stjärnor består av silikater. I natala molnet är detta damm amorft, dvs atomerna och molekylerna som utgör ett dammkorn sätts samman på ett kaotiskt sätt, och kornen är fluffiga och mycket små, vanligtvis ca 0,0001 mm stora. I närheten av den unga stjärnan där temperaturen och densiteten är högst tenderar emellertid dammpartiklarna i den kringliggande skivan att hålla sig ihop så att kornen blir större. Dessutom värms dammet upp av strålning och detta får molekylerna i kornen att ordna sig igen i geometriska (kristallina) mönster.
Därför förvandlas dammet i skivområdena som är närmast stjärnan snart från "orörda" (små och amorfa) till "bearbetade" (större och kristallina) korn.
Spektrala observationer av silikatkorn i det mellersta infraröda våglängdsområdet (cirka 10? M) kommer att visa om de är "orörda" eller "bearbetade". Tidigare observationer av skivor runt unga stjärnor har visat att en blandning av orört och bearbetat material var närvarande, men det var hittills omöjligt att säga var de olika kornen bodde på skivan.
Tack vare en hundrafaldig ökning i vinkelupplösning med VLTI och det mycket känsliga MIDI-instrumentet, visar nu detaljerade infraröda spektra av de olika regionerna i de protoplanetära skivorna runt tre nyfödda stjärnor, bara några miljoner år gamla, nu att dammet nära stjärnan är mycket mer bearbetad än dammet i de yttre skivområdena. I två stjärnor (HD 144432 och HD 163296) bearbetas dammet på den inre skivan rättvis medan dammet i den yttre skivan är nästan orörd. I den tredje stjärnan (HD 142527) bearbetas dammet i hela skivan. I den centrala delen av denna skiva är den extremt bearbetad, i överensstämmelse med helt kristallint damm.
En viktig slutsats från VLTI-observationerna är därför att byggstenarna för jordliknande planeter finns i circumstellar-skivor från början. Detta är av stor vikt eftersom det indikerar att planeter av den markbundna (steniga) typen som jorden troligen är ganska vanliga i planetariska system, även utanför solsystemet.
De orörda kometerna
Föreliggande observationer har också konsekvenser för studiet av kometer. Vissa - kanske alla - kometer i solsystemet innehåller både orört (amorft) och bearbetat (kristallint) damm. Kometer bildades definitivt på stora avstånd från solen, i de yttre regionerna i solsystemet där det alltid har varit väldigt kallt. Det är därför inte klart hur bearbetade dammkorn kan hamna i kometer.
I en teori transporteras bearbetat damm utåt från den unga solen genom turbulens i den ganska täta cirkumsolära skivan. Andra teorier hävdar att det bearbetade dammet i kometer producerades lokalt i de kalla regionerna under en mycket längre tid, kanske av chockvågor eller blixtbultar på skivan, eller av ofta kollisioner mellan större fragment.
Det nuvarande teamet av astronomer drar nu slutsatsen att den första teorin är den mest troliga förklaringen för förekomsten av bearbetat damm i kometer. Detta innebär också att de kometer med lång tid som ibland besöker oss från vårt solsystem är yttersta kärnor, som går tillbaka till en tid då jorden och de andra planeterna ännu inte hade bildats.
Studier av sådana kometer, särskilt när de utförs på plats, kommer därför att ge direkt tillgång till det ursprungliga materialet från vilket solsystemet bildades.
Mer information
Resultaten som rapporterats i denna ESO PR presenteras mer detaljerat i ett forskningsdokument ”Planets byggstenar inom den” markbundna ”regionen av protoplanetära diskar” av Roy van Boekel och medförfattare (Nature, 25 november 2004). Observationerna gjordes under ESO: s tidiga demonstrationsprogram för vetenskap.
anteckningar
[1]: Detta pressmeddelande från ESO utfärdas i samarbete med Astronomiska institutet vid University of Amsterdam, Nederländerna (NOVA PR) och Max-Planck-Institut f? R Astronomie (Heidelberg, Tyskland (MPG PR)).
[2]: Teamet består av Roy van Boekel, Michiel Min, Rens Waters, Carsten Dominik och Alex de Koter (Astronomical Institute, University of Amsterdam, Nederländerna), Christoph Leinert, Olivier Chesneau, Uwe Graser, Thomas Henning, Rainer K Hler och Frank Przygodda (Max-Planck-Institut f Astronomi, Heidelberg, Tyskland), Andrea Richichi, Sebastien Morel, Francesco Paresce, Markus Schler och Markus Wittkowski (ESO), Walter Jaffe och Jeroen de Jong (Leiden Observatory , Nederländerna), Anne Dutrey och Fabien Malbet (Observatoire de Bordeaux, Frankrike), Bruno Lopez (Observatoire de la Cote d'Azur, Nice, Frankrike), Guy Perrin (LESIA, Observatoire de Paris, Frankrike) och Thomas Preibisch (Max -Planck-Institut för Radioastronomie, Bonn, Tyskland).
[3]: MIDI-instrumentet är resultatet av ett samarbete mellan tyska, holländska och franska institut. Se ESO PR 17/03 och ESO PR 25/02 för mer information.
Ursprungskälla: ESO News Release
