Zajrzeli do fabryki planet. Kosmiczny plac budowy ożył
Astronomowie zajrzeli do kosmicznej fabryki planet i zobaczyli coś, czego wcześniej nie udało się uchwycić. Dysk AB Aurigae wiruje, rzuca tajemnicze cienie i może skrywać rodzące się gazowe olbrzymy.
Planety powstają w dyskach gazu i pyłu otaczających młode gwiazdy. To właśnie tam materia tworzy zagęszczenia, spirale i inne struktury, z których z czasem mogą wyłonić się nowe światy. Astronomowie po raz pierwszy bezpośrednio prześledzili ruch obrotowy takiego dysku wokół gwiazdy AB Aurigae. Obserwacje pokazały, że choć w dużej skali jego dynamika odpowiada przewidywaniom, w wewnętrznych obszarach występują odchylenia, których nie wyjaśniają najprostsze modele.
To film rozciągnięty na prawie 4 lata obserwacji
AB Aurigae od bardzo dawna jest jednym z najciekawszych celów dla astronomów badających narodziny planet. To młoda gwiazda w gwiazdozbiorze Woźnicy, otoczona rozległym dyskiem protoplanetarnym, czyli mieszaniną gazu i pyłu, z której mogą powstawać planety. Sam dysk był już wcześniej fotografowany, analizowany i porównywany z modelami. Nowe badanie nie tylko pokazuje jego kształt, ale pozwala prześledzić jego ruch.
Zespół kierowany przez Anthony’ego Boccalettiego wykorzystał obserwacje wykonane instrumentem SPHERE przy Bardzo Dużym Teleskopie w Chile. SPHERE został zaprojektowany do bardzo trudnej sztuki: oglądania słabych struktur znajdujących się blisko jasnych gwiazd. W tym przypadku chodziło o światło rozproszone przez drobiny pyłu w dysku AB Aurigae.
Astronomowie mieli do dyspozycji trzy zestawy obserwacji wykonanych na przestrzeni 3,85 roku. To może i niewiele w ludzkim odczuciu, ale wystarczająco dużo, by w tak bliskim otoczeniu młodej gwiazdy zauważyć przesunięcie struktur w dysku. Innymi słowy: badacze nie patrzyli na statyczną fotografię. Porównali kolejne klatki bardzo powolnego filmu, w którym pył i gaz okrążają gwiazdę.
Dysk powinien kręcić się prosto, ale nie wszędzie tak robi
W podstawowym ujęciu materia w dysku protoplanetarnym powinna poruszać się zgodnie z ruchem keplerowskim. Oznacza to, że im bliżej gwiazdy znajduje się gaz lub pył, tym szybciej powinien krążyć. Dalej od gwiazdy ruch jest wolniejszy. To ta sama zasada, która opisuje ruch planet w Układzie Słonecznym: Merkury okrąża Słońce szybciej niż Ziemia, a Ziemia szybciej niż Neptun.
Nowe obserwacje pokazują, że dysk AB Aurigae w dużej skali rzeczywiście zachowuje się zgodnie z takim schematem. Problem zaczyna się jednak bliżej gwiazdy, w obszarze wewnątrz około 60 jednostek astronomicznych. Mówimy o regionie większym niż Układ Słoneczny liczony do orbity Plutona, ale wciąż centralnym z punktu widzenia całego dysku.
W najmniejszych analizowanych odległościach, około 25 jednostek astronomicznych od gwiazdy, badacze zmierzyli odchylenie od spodziewanego ruchu sięgające około 12 stopni w ciągu 3,85 roku. To dużo jak na taką skalę. Oznacza to, że wewnętrzne struktury dysku nie zachowują się jak spokojny, cienki, uporządkowany talerz.
Winne mogą być planety, których jeszcze nie widać
Jak to możliwe? Najbardziej prawdopodobnym wyjaśnieniem są formujące się planety ukryte w dysku. Trzeba jednak zachować tutaj dużą ostrożność, bo obserwacje nie pokazują bezpośrednio nowej planety, lecz wskazują na zaburzenia w ruchu gazu i pyłu. Takie odchylenia mogą być skutkiem oddziaływania masywnych obiektów lub gęstych struktur znajdujących się w pobliżu gwiazdy.
W dyskach protoplanetarnych młode planety mogą działać niczym jak niewidzialne mieszadła. Ich grawitacja wycina przerwy, wzbudza ramiona spiralne, zagęszcza materię i zmienia lokalny ruch gazu oraz pyłu. Takie ślady bywają łatwiejsze do wykrycia niż sama planeta, bo młody obiekt może być zatopiony w pyle, zasłonięty przez dysk albo świecić zbyt słabo na tle otoczenia.
W AB Aurigae wcześniej wskazywano już na możliwe kandydatki na protoplanety, w tym słynny obiekt AB Aurigae b. To właśnie jeden z głównych powodów, dla których system jest tak intensywnie obserwowany. Teraz astronomowie zobaczyli, że wewnętrzne struktury dysku poruszają się bardziej skomplikowanie, niż wynikałoby przyjętego wcześniej modelu. To pasuje do scenariusza, w którym kilka młodych, masywnych obiektów krąży w dysku, być może po orbitach nachylonych albo eliptycznych.
Spirale są niczym ślady palców narodzin planet
Na zarejestrowanych obrazach AB Aurigae widać wyraźne struktury spiralne, które wyglądają niemal jak ramiona małej galaktyki. W rzeczywistości to układ gazu i pyłu wokół młodej gwiazdy. W dyskach protoplanetarnych spirale są szczególnie ważne, bo mogą być śladem oddziaływania formujących się planet z otaczającą materią.
Jeśli młoda planeta jest wystarczająco masywna, jej grawitacja wywołuje w dysku fale gęstości. Takie fale mogą układać pył i gaz w skręcone ramiona. Dla astronomów jest to bezcenne, bo sama planeta może pozostawać ukryta, ale jej wpływ na dysk zostawia wzór, który da się obserwować.
W najnowszej pracy badacze zwracają uwagę, że dwie jasne spirale w obrębie milimetrowej jamy dysku nie zachowują się identycznie. Ich dynamika jest różna, co może oznaczać, że nie powstały w wyniku jednego prostego procesu. Mogą być związane z różnymi kandydatami na formujące się planety albo z bardziej złożoną geometrią całego układu.
Miejsce akrecji może zdradzać jasna struktura
W obserwacjach pojawiła się także jasna struktura, którą badacze łączą z akrecją. Jest to proces opadania materii na obiekt pod wpływem grawitacji. W kontekście narodzin planet oznacza to, że gaz i pył z dysku mogą spływać na rosnącą protoplanetę, zwiększając jej masę.
To jeden z najważniejszych momentów w formowaniu gazowych olbrzymów. Planeta nie rodzi się od razu jako gotowy Jowisz. Najpierw powstaje zalążek, który zaczyna przyciągać materiał z otoczenia. Jeśli proces trwa wystarczająco długo i w dysku jest dość gazu, obiekt może urosnąć do rozmiarów planety olbrzyma.
Astronomowie szukali też śladów emisji w linii H-alfa, czyli charakterystycznego światła związanego z wodorem. W młodych układach H-alfa może wskazywać na gorącą materię opadającą na obiekt. W pracy oszacowano emisję z całej jasnej struktury, ale w miejscu samego AB Aurigae b wynik jest zgodny z brakiem jednoznacznej detekcji. To kolejny przykład, że w tej historii najważniejsze są ostrożne interpretacje, a nie ogłoszenie odkrycia planety.
Cienie wirują szybciej, niż powinny
Jednym z najdziwniejszych elementów obserwacji są słabe cienie widoczne na powierzchni dysku. Nie są to cienie rzucane przez jeden wyraźny obiekt, który łatwo wskazać palcem. To zmiany jasności wynikające z tego, że coś bliżej gwiazdy blokuje lub zmienia drogę światła oświetlającego zewnętrzne części dysku.
Te cienie rotują szybko. Źródłem mogą być protoplanety, zagęszczenia pyłu albo optycznie grube struktury znajdujące się wewnątrz około 60 jednostek astronomicznych od gwiazdy. Optycznie grube oznacza, że dana struktura nie przepuszcza łatwo światła, więc może działać jak zasłona.
To niezwykle interesujące, bo te cienie pozwalają badać obszary, których nie da się bezpośrednio zobaczyć. Jeśli coś blisko gwiazdy zasłania światło, jego wpływ może pojawić się daleko dalej jako ciemniejszy pas albo zmieniająca się plama na dysku. W ten sposób dysk staje się ekranem, na którym widać ślady niewidzialnych struktur ukrytych bliżej centrum.
AB Aurigae jest młodym odpowiednikiem placu budowy Układu Słonecznego
AB Aurigae jest młodą gwiazdą typu Herbig Ae. To obiekt masywniejszy i jaśniejszy od Słońca, który nadal znajduje się we wczesnym etapie ewolucji. Jego otoczenie jest szczególnie cenne dla astronomów, bo pokazuje procesy, które w naszym Układzie Słonecznym zakończyły się ponad 4,5 mld lat temu.
Nie możemy oczywiście cofnąć czasu i zobaczyć młodego Słońca otoczonego dyskiem, z którego powstawały planety. Możemy jednak obserwować inne młode gwiazdy, które przechodzą podobne etapy. AB Aurigae jest jednym z najlepszych laboratoriów, bo znajduje się relatywnie blisko w skali astronomicznej, ma jasny, bogato ustrukturyzowany dysk i od lat pokazuje cechy sugerujące aktywne formowanie planet.
Przeczytaj także:
Właśnie dlatego każdy nowy zestaw obserwacji tego systemu jest ważny. Nie chodzi tylko o jedną gwiazdę. Chodzi o cały mechanizm, dzięki któremu z chaotycznego dysku gazu i pyłu powstają planety, księżyce, pasy asteroid i całe architektury układów planetarnych.
*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI
