Kosmiczne pierścienie zdradzają masę młodych planet
Astronomowie przez lata przyglądali się pierścieniom pyłu (dyskom protoplanetarnym) otaczającym młode gwiazdy. Wiedzieli, że te struktury prawdopodobnie zdradzają obecność rodzących się planet lecz powiązanie cech dysków z konkretnymi masami planet pozostawało poza ich zasięgiem. Teraz zespół badaczy z Uniwersytetu Warwick, MIT i McMaster University opracował metodę, która pozwala odczytać te informacje niemal wprost z obserwacji.
Młode gwiazdy są otoczone przez dyski protoplanetarne, wirujące obłoki gazu i pyłu, z których rodzą się planety. Masywna planeta znajdująca się w takim dysku zaburza rozkład gazu, tworząc lokalne maksimum ciśnienia na zewnątrz swojej orbity. W tym miejscu ziarna pyłu, dryfujące ku gwieździe, zwalniają i gromadzą się, tworząc widoczny pierścień. Im bardziej masywna planeta, tym silniejsze zaburzenie, a więc inaczej ukształtowany pierścień.
Jednak przełożenie tej zasady na konkretne równania wymagało szczegółowych symulacji komputerowych. Autorzy stworzyli 18 modeli 2D, w których planeta o różnej masie oddziaływała z dyskiem przy trzech różnych wartościach tzw. współczynnika kształtu dysku. Symulacje prowadzono przez 1500 obiegów planety. To wystarczający czas, by struktury pyłowe osiągnęły stan ustalony.
Z symulacji wyłoniły się trzy właściwości dysków protoplanetarnych, które korelują z masą planety: szerokość pierścienia, masa pyłu w nim uwięzionego oraz położenie obszaru o największym zagęszczeniu pyłu.
Badacze potwierdzili liniową zależność między promieniem Hilla planety (miarą jej grawitacyjnego zasięgu) a radialnym położeniem szczytu gęstości pierścienia. Co kluczowe – zależność ta jest niezależna od długości fali obserwacji i od rozmiaru obserwowanych ziaren pyłu. Oznacza to, że metodę można stosować do istniejących danych bez dokładnej znajomości warunków panujących w dysku.
Na podstawie tej zależności autorzy wyprowadzili równanie pozwalające wyliczyć masę planety bezpośrednio z położenia szczytu pierścienia i lokalizacji przerwy w dysku – zakładając, że planeta znajduje się w centrum tej przerwy. Szerokość pierścienia i zawarta w nim masa pyłu rosną wraz z masą planety, ale tylko do pewnego progu, powyżej którego planeta skutecznie odcina dopływ większych ziaren z zewnętrznych obszarów dysku. Po przekroczeniu tego progu obie wielkości przestają się zmieniać, natomiast położenie szczytu nadal przesuwa się wraz z masą planety, co czyni je szczególnie użytecznym narzędziem diagnostycznym.
Aby zweryfikować metodę, autorzy zastosowali ją do układu PDS 70 – jednego z niewielu systemów, gdzie planety zostały bezpośrednio sfotografowane wewnątrz dysku. Koncentrując się na wewnętrznym ramieniu pierścienia, zlokalizowanym w odległości około 54,5 au od gwiazdy, uzyskali masę planety PDS 70c rzędu 3,3 mas Jowisza. To wynik zgodny z niezależnymi szacunkami uzyskanymi innymi metodami.
Metodę zastosowano też do pięciu dysków z przeglądu exoALMA. Dla każdego z nich wyznaczono szacunkowe masy ukrytych planet. Jednym z ciekawszych wniosków jest obserwacja, że pierścienie pyłu tworzone przez masywne planety mogą zawierać nawet dwadzieścia mas Ziemi skondensowanego materiału skalnego – ilość wystarczającą potencjalnie do zainicjowania kolejnej rundy formowania planetezymali, a w konsekwencji nowych planet.
Metoda otwiera obiecującą ścieżkę do charakteryzowania planet, które są zbyt słabo świecące lub zbyt głęboko ukryte w dysku, by dało się je zobaczyć bezpośrednio. Połączenie diagnostyki pyłowej z obserwacjami rozkładu ciśnienia gazu – coraz bardziej dostępnymi dzięki radioteleskopowi ALMA – może ujawnić całą populację ukrytych planet i rzucić nowe światło na procesy formowania układów planetarnych.
Szczegóły zostały opisane na łamach The Astrophysical Journal.
Komentarze (0)