Två oberoende team av astronomer har avslöjat övertygande bevis på att tre unga planeter är i en bana runt en spädbarnstjärna som kallas HD 163296. Med hjälp av en ny plan för att hitta planeter, astronomerna identifierade tre diskreta störningar i en ung stjärnas gasfyllda skiva:det starkaste beviset än att nybildade planeter befinner sig i en bana där.

Under de senaste åren har Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) har förändrat vår förståelse för protoplanetära skivor- de gas- och dammfyllda planetfabrikerna som omger unga stjärnor. Ringarna och luckorna i dessa skivor ger spännande omständighetsbevis för närvaron av planeter. Andra fenomen, dock, kan stå för dessa lockande funktioner.

Med hjälp av en ny planetjaktteknik som identifierar ovanliga mönster i gasflödet i en protoplanetär skiva, två team av astronomer har bekräftat det distinkta, avslöjande kännetecken för nybildade planeter som kretsar kring en spädbarnsstjärna i vår galax. Dessa resultat presenteras i ett par papper som visas i Astrofysiska tidskriftsbrev .

"Vi tittade på det lokaliserade, småskalig rörelse av gas i en stjärnas protoplanetära skiva. Denna helt nya metod kan avslöja några av de yngsta planeterna i vår galax, allt tack vare de högupplösta bilderna från ALMA, "sade Richard Teague, en astronom vid University of Michigan och huvudförfattare på en av tidningarna.

För att göra sina respektive upptäckter, varje team analyserade data från olika ALMA-observationer av den unga stjärnan HD 163296. HD 163296 är cirka 4 miljoner år gammal och ligger cirka 330 ljusår från jorden i riktning mot stjärnbilden Skytten.

Istället för att fokusera på dammet i skivan, vilket tydligt avbildades i tidigare ALMA -observation, astronomerna studerade istället fördelningen och rörelsen av kolmonoxid (CO) gas genom hela skivan. CO-molekyler avger naturligtvis ett mycket distinkt millimetervågljus som ALMA kan observera. Subtila förändringar i våglängden för detta ljus på grund av Doppler -effekten ger en inblick i kinematiken - eller rörelsen - för gasen i skivan.

Om det inte fanns några planeter, gas skulle röra sig runt en stjärna på ett mycket enkelt sätt, förutsägbart mönster som kallas Keplerian rotation.

"Det skulle krävas ett relativt massivt föremål, som en planet, att skapa lokaliserade störningar i denna annars ordnade rörelse, "sade Christophe Pinte från Monash University i Australien och huvudförfattare till en av de två artiklarna." Vår nya teknik tillämpar denna princip för att hjälpa oss att förstå hur planetsystem bildas. "

Teamet under ledning av Teague identifierade två distinkta planetliknande mönster på disken, den ena vid ungefär 80 astronomiska enheter (AU) från stjärnan och den andra vid 140 AU. (En astronomisk enhet är det genomsnittliga avståndet från jorden till solen, eller cirka 150 miljoner kilometer.) Det andra laget, ledd av Pinte, identifierade den tredje på cirka 260 AU från stjärnan. Astronomerna beräknar att alla tre planeterna i massa liknar Jupiter.

De två lagen använde variationer på samma teknik, som tittade på avvikelser i gasflödet - sett i de skiftande våglängderna för CO -utsläpp - som skulle indikera att det interagerade med ett massivt föremål.

Teague och hans team mätte variationer i gasens hastighet. Detta avslöjade effekterna av flera planeter på gasrörelsen närmare stjärnan.

Pinte och hans team mätte gasens faktiska hastighet mer direkt, vilket är bättre för att studera den yttre delen av skivan och kan mer exakt identifiera platsen för en potentiell planet.

Upptäcker protoplaneter

"Även om tusentals exoplaneter har upptäckts under de senaste decennierna, upptäcka protoplaneter ligger vid vetenskapens gräns, "sa Pinte. Teknikerna som för närvarande används för att hitta exoplaneter i fullt utformade planetsystem - som att mäta en stjärnas vinglar eller hur en genomgående planet dämpar stjärnljus - lämpar sig inte för att upptäcka protoplaneter.

ALMAs fantastiska bilder av HD 163296 och andra liknande system har avslöjat spännande mönster av koncentriska ringar och luckor inom protoplanetära diskar. Dessa luckor kan vara bevis på att protoplaneter plöjer damm och gas bort från sina banor, införliva en del av det i sin egen atmosfär. En tidigare studie av den här stjärnans skiva visar att damm- och gasluckorna överlappar varandra, vilket tyder på att minst två planeter har bildats där.

Dessa inledande observationer, dock, gav bara omständighetsbevis och kunde inte användas för att exakt uppskatta planetenas massa, noterade Teague. "Eftersom andra mekanismer också kan producera ringade luckor i en protoplanetär skiva, det är omöjligt att säga definitivt att planeter finns där genom att bara titta på diskens övergripande struktur, " han sa.

Senaste innovationen

Nyckeln till en mer avgörande upptäckt, notera astronomerna, ligger i att reta ut de finskaliga hastighetssignaturerna från kolmonoxidgasen.

"Även om damm spelar en viktig roll i planetbildning och ger ovärderlig information, gas står för 99 procent av en protoplanetär disks massa, "sa medförfattaren Jaehan Bae från Carnegie Institute for Science." Det är därför avgörande att studera gasens kinematik. "

Ljus som en gas avger från en protoplanetär skiva ändrar dess våglängder beroende på gasens relativa rörelse till jorden på grund av Doppler -effekten. "Detta är analogt med Doppler -tekniken som används för att hitta fullformade planeter, "sa medförfattaren Dan Foreman-Mackey från Flatiron Institute." Men snarare än att titta på förändringarna i våglängden från stjärnans vinglar, Vi dyker djupt in i disken för att se hur de småskaliga förändringarna sker. "

ALMAs fantastiska upplösning gjorde det möjligt för forskarna att mäta kolmonoxids hastighetsmönster genom hela skivan.

"Precisionen är häpnadsväckande, "sa medförfattaren Til Birnstiel från Universitetsobservatoriet i München. I ett system där gas roterar med cirka 5 kilometer per sekund, ALMA upptäckte hastighetsförändringar så små som några meter per sekund. "Detta gör att vi kan hitta mycket små avvikelser från den förväntade normala rotationen i en disk, "Sade Teague. Planeter ändrar gasens densitet nära sina banor, som förändrar gasens tryck, inducera dessa motsvarande förändringar i hastighet.

"Vi jämförde observationerna med datormodeller för att visa att de observerade flödena passade vackert med förutsägelser för flödesmönstret runt en nyfödd planet några gånger massan av Jupiter, "sa medförfattaren Daniel Price från Monash University.

Denna nya teknik gör det möjligt för astronomer att mer exakt uppskatta protoplanetära massor och är mindre benägna att producera falska positiva. "Vi tar nu ALMA fram och tillbaka till planetens upptäckt, "sa medförfattaren Ted Bergin från University of Michigan.

"Ofta inom vetenskap, idéer visar sig inte fungera eller antaganden visar sig vara felaktiga. Detta är ett av fallen där resultaten är mycket mer spännande än vad jag hade tänkt mig, Sa Birnstiel.

"Dessa studier kommer också att hjälpa oss att förstå hur planeter som de i vårt solsystem föddes, "sa medförfattaren Francois Menard från Grenoble University i Frankrike.

Båda lagen fortsätter att förfina denna metod och kommer att tillämpa den på andra diskar, där de hoppas kunna bättre förstå hur atmosfärer bildas och vilka grundämnen och molekyler som levereras till en planet vid dess födelse.

Denna forskning presenterades i två uppsatser för att visas i samma upplaga av Astrofysiska tidskriftsbrev . Den första har rubriken "Kinematisk bevisning för en inbäddad protoplanet i en stjärnbildande skiva", av C. Pinte et al. och den andra "En kinematisk detektion av två osynliga Jupiter -massinbäddade protoplaneter", av R. Teague et al.