Egzoplanety i dyski gruzowe. To stamtąd biorą się komety?
Obserwacje przeprowadzone za pomocą instrumentu SPHERE zainstalowanego na teleskopie Very Large Telescope należącym do ESO pozwoliły stworzyć bezprecedensową galerię „dysków gruzowych” w układach egzoplanetarnych.
– Ten zbiór danych jest astronomicznym skarbem. Dostarcza wyjątkowych informacji na temat właściwości dysków gruzowych i pozwala na wywnioskowanie istnienia mniejszych ciał, takich jak asteroidy i komety w tych układach, których nie da się zaobserwować bezpośrednio – powiedział Gaël Chauvin (Instytut Astronomii im. Maxa Plancka), naukowiec projektu SPHERE i współautor artykułu publikującego wyniki badań.
Astronomowie wykorzystują dyski gruzowe do obserwacji rozwiniętej formy młodych układów słonecznych: najpierw wirująca chmura molekularna zapada się pod wpływem własnej grawitacji. Gęstość gazu w centrum wzrasta tak bardzo, że ostatecznie rozpoczyna się fuzja jądrowa, a młoda gwiazda emituje swoje pierwsze światło. Gaz i pył gromadzą się wokół takich młodych, dojrzewających protogwiazd w tak zwanym dysku protoplanetarnym, zgodnie z przewidywaniami modeli komputerowych i potwierdzonymi bezpośrednimi obserwacjami za pomocą teleskopu Alma i Very Large Telescope.
Widmo światła takich dysków, które sfotografowano wokół wielu młodych gwiazd, można również wykorzystać do określenia stadium rozwoju dysku. Wynika to z faktu, że zgodnie z teorią pył w dysku stopniowo zbryla się, tworząc coraz większe ciała: dysk pyłu i gazu staje się dyskiem gruzu, a gruz ten z kolei tworzy budulec planet. Różni się również sposób, w jaki pierwotny pył z chmury molekularnej lub bardziej rozwinięte, zbite i rozbite formy pyłu rozpraszają światło lub same je emitują.
W naszym Układzie Słonecznym, poza Słońcem, planetami i planetami karłowatymi, takimi jak Pluton, znajduje się oszałamiająca liczba mniejszych ciał niebieskich. Szczególnie interesujące są większe ciała niebieskie o średnicy od około jednego kilometra do kilkuset kilometrów. Obiekty te nazywamy kometami, jeśli (przynajmniej sporadycznie) uwalniają gaz i pył, tworząc charakterystyczne widoczne struktury, takie jak ogon, a asteroidami, jeśli tego nie robią. Małe ciała, które nadal krążą wokół Słońca, pozwalają nam zajrzeć do najwcześniejszej historii Układu Słonecznego: w ewolucji od ziaren pyłu do pełnowymiarowych planet małe ciała zwane planetoidami są etapem przejściowym, a asteroidy i komety są pozostałościami po tym etapie.
Do tej pory astronomowie wykryli ponad 6000 egzoplanet (czyli planet krążących wokół gwiazd innych niż Słońce), dzięki czemu mamy znacznie lepsze wyobrażenie o różnorodności planet we wszechświecie oraz o miejscu naszego Układu Słonecznego w tej ogromnej populacji. Jednak wykonanie rzeczywistych zdjęć takich planet stanowi spore wyzwanie. Obecnie astronomowie zdołali sfotografować mniej niż 100 egzoplanet, a nawet planety olbrzymie są na takich zdjęciach jedynie pozbawionymi struktury małymi plamkami.
– Znalezienie na zdjęciach jakichkolwiek bezpośrednich wskazówek dotyczących małych ciał w odległym układzie planetarnym wydaje się wręcz niemożliwe. Inne pośrednie metody stosowane do wykrywania planet pozasłonecznych również nie są pomocne – powiedział dr Julien Milli, astronom z Uniwersytetu Grenoble Alpes i współautor badania.
U podstaw SPHERE leży bardzo prosta koncepcja. Jeśli w codziennym życiu chcemy na coś spojrzeć, a słońce w tle nam to utrudnia, podnosimy rękę, aby zasłonić światło słoneczne. Kiedy SPHERE obserwuje egzoplanetę lub dysk gruzowy, wykorzystuje koronograf do zasłonięcia światła gwiazdy – w rzeczywistości jest to mały dysk umieszczony w ścieżce optycznej, który usuwa większość światła gwiazd przed wykonaniem zdjęcia. Problem polega na tym, że jeśli obrazowanie nie jest bardzo precyzyjne i stabilne, ta prosta metoda nie sprawdza się w praktyce!
Aby sprostać rygorystycznym wymaganiom, SPHERE wykorzystuje optykę adaptacyjną, w której nieuniknione zaburzenia spowodowane przechodzeniem światła przez atmosferę ziemską są analizowane i w znacznym stopniu kompensowane w czasie rzeczywistym za pomocą deformowalnego lustra. Inna, opcjonalna część SPHERE filtruje światło o określonych właściwościach („światło spolaryzowane”), które jest charakterystyczne dla światła odbijanego przez cząsteczki pyłu, w przeciwieństwie do światła gwiazd, przygotowując grunt pod szczególnie czułe obrazy dysków gruzowych.
Nowa publikacja przedstawia bezprecedensową kolekcję zdjęć dysków gruzowych, wykonanych za pomocą instrumentu SPHERE na podstawie światła gwiazd odbijanego przez małe cząsteczki pyłu w tych układach.
Jak tłumacz Natalia Engler z ETH Zurich, aby uzyskać tę kolekcję badacze przetworzyli dane z obserwacji 161 pobliskich młodych gwiazd, których emisja w podczerwieni wyraźnie wskazuje na obecność dysku gruzowego.
– Otrzymane obrazy pokazują 51 dysków gruzowych o różnych właściwościach – niektóre mniejsze, inne większe, niektóre widziane z boku, a inne prawie z przodu – oraz znaczną różnorodność struktur dysków. Cztery z tych dysków nigdy wcześniej nie zostały sfotografowane – dodała Natalia Engler.
Porównania w ramach większej próby mają kluczowe znaczenie dla odkrycia systematyki właściwości obiektów. W tym przypadku analiza 51 dysków gruzowych i ich gwiazd potwierdziła kilka systematycznych trendów: im większa masa młodej gwiazdy, tym większa masa jej dysku gruzowego. To samo dotyczy dysków gruzowych, w których większość materiału znajduje się w większej odległości od gwiazdy centralnej.
Źródło: Max Planck Institute
Czytaj też: NASA przedłuża umowę z CASIS. Chodzi o laboratorium na ISS
Grafika tytułowa: Javier Miranda / Unsplash
