Planeternas födelseplatser är skivor gjorda av gas och damm. Astronomer studerar dessa så kallade protoplanetära skivor för att förstå processerna för planetbildning. Vackra bilder av skivor gjorda med Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) hur distinkta luckor och ringar uppträder i damm, som kan orsakas av spädbarnsplaneter.

För att få mer säkerhet att dessa luckor faktiskt orsakas av planeter, och för att få en mer komplett bild av planetbildningen, forskare studerar gasen i skivorna förutom damm. 99 procent av en protoplanetarisk skivas massa är gas, av vilken kolmonoxidgas (CO) är den ljusaste komponenten, sänder ut ljus med en mycket distinkt millimetervåglängd som ALMA kan observera.

Förra året, två team av astronomer demonstrerade en ny planetjaktteknik med denna gas. De mätte hastigheten för CO-gas som roterade i skivan runt den unga stjärnan HD 163296. Lokala störningar i gasens rörelser avslöjade tre planetliknande mönster i skivan.

I denna nya studie, huvudförfattaren Richard Teague från University of Michigan och hans team använde ny högupplöst ALMA-data från Disk Substructures at High Angular Resolution Project (DSHARP) för att studera gasens hastighet mer i detalj. "Med high fidelity-data från detta program, vi kunde mäta gasens hastighet i tre riktningar istället för bara en, sade Teague. För första gången, vi mätte rörelsen hos gasen som roterade runt stjärnan, mot eller bort från stjärnan, och upp- eller nedåt i skivan."

Unika gasflöden

Teague och hans kollegor såg gasen röra sig från de övre lagren mot mitten av skivan på tre olika platser. "Vad som mest troligt händer är att en planet i omloppsbana runt stjärnan trycker gasen och dammet åt sidan, öppna en lucka, " förklarade Teague. "Gasen ovanför gapet kollapsar sedan in i den som ett vattenfall, orsakar ett rotationsflöde av gas i skivan."

Detta är det bästa beviset hittills på att det verkligen finns planeter som bildas runt HD 163296. Men astronomer kan inte med hundra procents säkerhet säga att gasflödena orsakas av planeter. Till exempel, stjärnans magnetfält kan också orsaka störningar i gasen. "Just nu, endast en direkt observation av planeterna kunde utesluta de andra alternativen. Men mönstren för dessa gasflöden är unika och det är mycket troligt att de bara kan orsakas av planeter, " sa medförfattaren Jaehan Bae från Carnegie Institution for Science, som testade denna teori med en datorsimulering av disken.

Placeringen av de tre förutspådda planeterna i denna studie motsvarar resultaten från förra året:de är sannolikt belägna på 87, 140 och 237 AU. (En astronomisk enhet – AU – är det genomsnittliga avståndet från jorden till solen.) Den planet som ligger närmast HD 163296 beräknas vara hälften av Jupiters massa, mellanplaneten är Jupiter-massa, och planeten längst bort är dubbelt så massiv som Jupiter.

Planetatmosfärer

Gasflöden från ytan mot mittplanet av den protoplanetära skivan har förutspåtts av teoretiska modeller att existera sedan slutet av 90-talet, men det är första gången som de har observerats. Inte bara kan de användas för att upptäcka spädbarnsplaneter, de formar också vår förståelse av hur gasjätteplaneter får sin atmosfär.

"Planeter bildas i skivans mittlager, det så kallade mittplanet. Det här är en kall plats, skyddad från strålning från stjärnan, " förklarade Teague. "Vi tror att klyftorna som orsakas av planeter tar in varmare gas från de mer kemiskt aktiva yttre lagren av skivan, och att denna gas kommer att bilda atmosfären på planeten."

Teague och hans team förväntade sig inte att de skulle kunna se detta fenomen. "Disken runt HD 163296 är den ljusaste och största disken vi kan se med ALMA, ", sa Teague. "Men det var en stor överraskning att faktiskt se dessa gasflöden så tydligt. Diskarna verkar vara mycket mer dynamiska än vi trodde."

"Detta ger oss en mycket mer komplett bild av planetbildningen än vi någonsin drömt, ", sa medförfattaren Ted Bergin från University of Michigan. "Genom att karakterisera dessa flöden kan vi bestämma hur planeter som Jupiter föds och karakterisera deras kemiska sammansättning vid födseln. Vi kanske kan använda detta för att spåra födelseplatsen för dessa planeter, eftersom de kan röra sig under bildningen."