En ALMA-bild av stjärnan HD 163296 och dess protoplanetära skiva som ses i damm. Nya observationer tyder på att två planeter, var och en ungefär lika stor som Saturnus, är i omloppsbana runt stjärnan. Dessa planeter, som ännu inte är färdigbildade, avslöjade sig i det dubbla avtryck de lämnade i både damm- och gasdelarna på stjärnans protoplanetariska skiva. Kredit:ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Andrea Isella, B. Saxton (NRAO/AUI/NSF)
Rice University-astronomer och deras kollegor har för första gången kartlagt gaser i tre mörka ringar runt en avlägsen stjärna. Ringarna markerar utrymmen där planeter tros ha bildats av damm och gas runt stjärnan.
Alla ringar runt HD 163296 är fria från damm, och det internationella teamet av forskare som leds av Rice-astronomen Andrea Isella är säkra på att planeter, förmodligen gasjättar med massor jämförbara med Saturnus, ansvarar för att röja de yttersta. Men den inre ringen har mycket mer kolmonoxid än de andra två, får dem att tro att det inte finns någon planet där. Det förblir oförklarat, han sa.
"Den inre klyftan är mystisk, " Sa Isella. "Vad som än skapar strukturen tar bort dammet men det finns fortfarande mycket gas."
Verket visas denna vecka i Fysiska granskningsbrev .
Bara 20 år efter att den första exoplaneten upptäcktes, astronomer börjar lära sig hur planeter bildas. Tusentals planeter finns nu i databasen, och forskare fortsätter att förbättra sin förmåga att analysera dem för livsuppehållande egenskaper.
Ett syfte med Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) i Chile, världens största radioteleskop som används i forskningen, är att studera protoplanetära system. Deras mekanik kommer att hjälpa forskare att förstå hur planeter som jorden bildades. (Radioteleskop upptäcker de unika elektromagnetiska vågorna som sänds ut av grundämnen och föreningar i rymden, så att de kan identifieras och mätas.)
Det Rice-ledda lagets målstjärna, nästan 400 ljusår bort och bäst observerad från södra halvklotet, är en av många kända för att ha en stor skiva av damm och gas, sa Isella.
"Av det material som bildade denna skiva, cirka 1 procent är dammpartiklar och 99 procent är gas, " Sa Isella. "Så om du bara ser dammet, du kan inte säga om en ring bildades av en planet eller något annat fenomen. För att kunna särskilja och verkligen säga om det finns planeter eller inte, du måste se vad gasen gör, och i denna studie, för första gången, vi kan se både dammet och gasen."
En konstnärs intryck av den protoplanetära skivan som omger den unga stjärnan HD 163296. Genom att studera skivans damm (rödbrun) och kolmonoxidgas (ljusblå) profiler, astronomer ledda av Rice Universitys Andrea Isella upptäckte lockande bevis på att två planeter bildas i de två yttre dammgaporna i skivan. Kredit:B. Saxton/NRAO/AUI/NSF
De yttre ringarna är 100 och 160 astronomiska enheter från HD 163296. (En enhet är avståndet från solens centrum till jorden.) Det är mycket längre från stjärnan än vad som tidigare trotts möjligt för planetbildning. Stjärnan är för långt från jorden för direkt observation av planeterna, ändå visar bevis från den nya studien att de sannolikt är där, rensa damm och gas från de yttre ringarna ungefär som kretsande asteroider som kallas herdesatelliter rensar utrymmet mellan ringarna runt Saturnus, sa Isella.
Den inre ringen, 60 astronomiska enheter från sin stjärna, visade en mycket större koncentration av de tre kolmonoxidisotoperna uppmätt i förhållande till damm.
"Teoretiker har föreslagit andra fenomen som kan bilda mörka ringar utan planeter, " Sa Isella. Forskarna misstänker en i synnerhet:en brist på turbulens bland icke-joniserade gasmolekyler i en magnetorotationsinstabilitet "död zon" som tillåter gas och damm att kondensera till en Saturnus-liknande ring i kanten av den mörka zonen snarare än en planet. Ringen kan också dyka upp vid kolmonoxidfrostlinjen där gasen blir tillräckligt kall för att kondensera.
Sammansatt bild av den protoplanetära skivan som omger den unga stjärnan HD 163296. Det inre röda området visar dammet från den protoplanetära skivan. Den bredare blå skivan är kolmonoxidgasen i systemet. ALMA observerade att i de två yttre luckorna i dammet, det var en betydande nedgång i koncentrationen av kolmonoxid, antyder att två planeter bildas där. Kredit:ALMA (ESO/NAOJ/NRAO); A. Isella; B. Saxton (NRAO/AUI/NSF)
Resultaten lade grunden för en ny omgång observationer som precis har börjat på ALMA. Isellas initiativ att studera 20 stjärnor med protoplanetära skivor är ett av två "stora program" (från 24 förslag) som accepteras av teleskopet. "'Stort program' betyder att du ber om mycket teleskoptid, mer än 50 timmar, " Sa Isella. "Den andra som de accepterade kommer att titta på utsläppen från en galax i början av universum.
"Det betyder att vårt ämne anses av det astronomiska samfundet vara en av dess högsta prioriteringar, " han sa.
Isella sa att forskarna också kommer att återvända till HD 163296 för att lära sig vilka andra element som finns i skivan och ringarna. Att inventera hjälper dem att avgöra vilken typ av planet som kan bildas av material som är lättillgängligt.
"Om vi känner till kemin i materialet som bildar en planet, vi kan förstå planetens kemi, " sa han. Närheten till stjärnan är också viktig. Till exempel, vattnet måste vara tillräckligt långt från en stjärna för att frysa runt korn och låta dem samlas.
Rice University-forskare ledde den första kartläggningen av gaser i ringar runt en avlägsen stjärna med det kraftfulla ALMA-radioteleskopet. Medurs från övre vänster:Yann Boehler, Shanfei Liu, Andrea Isella, Luca Ricci och Erik Weaver. Kredit:Jeff Fitlow/Rice University
Det finns en chans att system som HD 163296 och HL Tauri, två av de tre första (med TW Hydrae) observerade av ALMA för att visa protoplanetära ringar, är anomalier, han sa. "Nu är frågan om alla protoplanetära skivor är så här. Har de alla den här strukturen? Det finns en oro för att det här objektet och HL Tauri är freaks, sa Isella.
Svar bör komma när den 20-stjärniga undersökningen är klar. "Vi kommer inte att börja få uppgifterna förrän nästa september, men det kommer att säga oss mycket, " han sa.
