Forskare som använder Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), har för första gången, uppnått en exakt storleksmätning av små dammpartiklar runt en ung stjärna genom radiovågspolarisering. ALMA:s höga känslighet för att detektera polariserade radiovågor möjliggjorde detta viktiga steg i att spåra bildningen av planeter runt unga stjärnor.

Astronomer har trott att planeter bildas av gas- och dammpartiklar, även om detaljerna i processen har beslöjats. En av de stora gåtorna är hur dammpartiklar så små som 1 mikrometer samlas för att bilda en stenig planet med en diameter på 10 tusen kilometer. Svårigheter att mäta storleken på dammpartiklar har hindrat astronomer från att spåra dammtillväxtprocessen.

Akimasa Kataoka, en Humboldt Research Fellow stationerad vid Heidelberg University och National Astronomical Observatory of Japan, tacklade detta problem. Han och hans medarbetare har teoretiskt förutspått att, runt en ung stjärna bör radiovågor spridda av dammpartiklar bära unika polarisationsegenskaper. Han märkte också att intensiteten av polariserade utsläpp tillåter oss att uppskatta storleken på dammpartiklar mycket bättre än andra metoder.

För att testa deras förutsägelse, teamet ledd av Kataoka observerade den unga stjärnan HD 142527 med ALMA (not 1) och upptäckte, för första gången, det unika polarisationsmönstret i dammskivan runt stjärnan. Som förutspått, polarisationen har en radiell riktning i de flesta delar av skivan, men vid kanten av skivan, riktningen vänds vinkelrätt mot den radiella riktningen.

Genom att jämföra den observerade intensiteten av de polariserade utsläppen med den teoretiska förutsägelsen, de fastställde att storleken på dammpartiklarna är högst 150 mikrometer. Detta är den första uppskattningen av dammstorleken baserat på polarisation. Förvånande, denna uppskattade storlek är mer än 10 gånger mindre än man tidigare trott.

"I de tidigare studierna, astronomer har uppskattat storleken baserat på radioemissioner med antagande av hypotetiska sfäriska dammpartiklar, " förklarar Kataoka. "I vår studie, vi observerade de spridda radiovågorna genom polarisering, som bär oberoende information från den termiska stoftutsläppen. En så stor skillnad i den uppskattade storleken på dammpartiklar innebär att det tidigare antagandet kan vara fel."

Teamets idé för att lösa denna inkonsekvens är att överväga fluffiga, komplexformade dammpartiklar, inte enkelt sfäriskt damm (not 2.). I den makroskopiska vyn, sådana partiklar är verkligen stora, men i mikroskopisk syn, varje liten del av en stor dammpartikel sprider radiovågor och producerar unika polarisationsegenskaper. Enligt föreliggande studie, astronomer får dessa "mikroskopiska" egenskaper genom polarisationsobservationer. Denna idé kan få astronomer att ompröva den tidigare tolkningen av observationsdata.

"Polarisationsandelen av radiovågor från dammskivan runt HD 142527 är bara några få procent. Tack vare ALMA:s höga känslighet, vi har upptäckt en så liten signal för att härleda information om storleken och formen på dammpartiklarna, ", sa Kataoka. "Detta är det allra första steget i forskningen om dammutveckling med polarimetri, och jag tror att de framtida framstegen kommer att vara fulla av spänning."