ALMAs högupplösta bilder av närliggande protoplanetära skivor, som är resultatet av Disk Substructures at High Angular Resolution Project (DSHARP). Kredit:ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), S. Andrews et al .; NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello
Astronomer har katalogiserat nästan 4, 000 exoplaneter i omloppsbana runt avlägsna stjärnor. Även om upptäckten av dessa nyfunna världar har lärt oss mycket, det finns fortfarande en hel del vi inte vet om planeternas födelse och de exakta kosmiska recepten som skapar det breda utbudet av planetkroppar som vi redan har upptäckt, inklusive så kallade heta Jupiters, massiva steniga världar, isiga dvärgplaneter, och - förhoppningsvis en dag snart - avlägsna analoger av jorden.
För att hjälpa dig att svara på dessa och andra spännande frågor, ett team av astronomer har genomfört ALMA:s första storskaliga, högupplöst undersökning av protoplanetära skivor, bälten av damm och gas runt unga stjärnor.
Känd som Disk Substructures at High Angular Resolution Project (DSHARP), detta "stora program" av Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) har gett fantastiska, högupplösta bilder av 20 närliggande protoplanetariska skivor och gett astronomer nya insikter i de olika funktioner de innehåller och den hastighet med vilken planeter kan dyka upp.
Resultaten av denna undersökning kommer att visas i ett särskilt fokusnummer av Astrofysiska tidskriftsbrev .
Enligt forskarna, den mest övertygande tolkningen av dessa observationer är att stora planeter, sannolikt liknande i storlek och sammansättning som Neptunus eller Saturnus, bildas snabbt, mycket snabbare än vad nuvarande teori tillåter. Sådana planeter tenderar också att bildas i de yttre delarna av deras solsystem på enorma avstånd från sina värdstjärnor.
Sådan brådmogen formation kan också hjälpa till att förklara hur stenig, Världar i jordstorlek kan utvecklas och växa, överleva sin förmodade självdestruktiva tonårstid.
"Målet med denna månaderslånga observationskampanj var att söka efter strukturella likheter och skillnader i protoplanetära skivor. ALMA:s anmärkningsvärt skarpa syn har avslöjat tidigare osynliga strukturer och oväntat komplexa mönster, sa Sean Andrews, en astronom vid Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) och ledare för ALMAs observationskampanj, tillsammans med Andrea Isella från Rice University, Laura Pérez från University of Chile, och Cornelis Dullemond från Heidelbergs universitet. "Vi ser distinkta detaljer kring ett brett sortiment av unga stjärnor med olika massor. Den mest övertygande tolkningen av dessa mycket olika, småskaliga egenskaper är att det finns osynliga planeter som interagerar med skivmaterialet."
De ledande modellerna för planetbildning hävdar att planeter föds genom gradvis ackumulering av damm och gas inuti en protoplanetarisk skiva, börjar med korn av isigt damm som smälter samman och bildar större och större stenar, tills asteroider, planetesimals, och planeter dyker upp. Denna hierarkiska process borde ta många miljoner år att utvecklas, vilket tyder på att dess inverkan på protoplanetära skivor skulle vara mest utbredd hos äldre, mer mogna system. Montering av bevis, dock, indikerar att det inte alltid är fallet.
Fyra av de tjugo skivor som utgör ALMAs högsta upplösningsundersökning av närliggande protoplanetära skivor. - AS 209 är en stjärna som är värd för en skiva som är 1 miljon år gammal och ligger cirka 400 ljusår från jorden. ALMA-bilden visar en tätt packad serie dammiga ringar i dess inre skiva och ytterligare två tunna band av damm mycket långt från den centrala stjärnan. - HD 143006 är cirka 5 miljoner år gammal och bor 540 ljusår från jorden. Denna stjärna är värd för en skiva som visar stora luckor mellan dammiga banor som avgränsar skivans inre och yttre delar. Ett tätt bågformat område, möjligen förebådar en koncentration av material där kometer eller andra isiga kroppar bildas, kan ses på den nedre vänstra delen av den yttre ringen. - ALMA avslöjar svepande spiralarmar i dammskivan som kretsar kring IM Lup, en ung stjärna som ligger cirka 515 ljusår från jorden. Dessa mönster kan vara resultatet av en osynlig planetarisk följeslagare som stör skivan, eller en global instabilitet i skivstrukturen liknande den som ses i spiralgalaxer som Vintergatan. - AS 205 är ett flerstjärnigt system, med varje stjärna med sin egen dammiga skiva. Eftersom de flesta stjärnor i Vintergatan är multiplar, denna observation ger ledtrådar till potentialen för planeter i sådana system. Detta system ligger cirka 420 ljusår från jorden. Kredit:ALMA (ESO/NAOJ/NRAO) S. Andrews et al .; NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello
ALMAs tidiga observationer av unga protoplanetära skivor, några bara omkring en miljon år gamla, avslöjar förvånansvärt väldefinierade strukturer, inklusive framträdande ringar och luckor, som verkar vara planeternas kännetecken. Astronomer var från början försiktiga med att tillskriva dessa egenskaper till planeternas handlingar eftersom andra naturliga processer kunde vara på gång.
"Det var förvånande att se möjliga signaturer av planetbildning i de allra första högupplösta bilderna av unga diskar. Det var viktigt att ta reda på om dessa var anomalier eller om dessa signaturer var vanliga i diskar, sa Jane Huang, en doktorand vid CfA och en medlem av forskargruppen.
Eftersom det ursprungliga urvalet av skivor som astronomer kunde studera var så litet, dock, det var omöjligt att dra några övergripande slutsatser. Det kan ha varit så att astronomer observerade atypiska system. Fler observationer på en mängd olika protoplanetära skivor behövdes för att fastställa de mest sannolika orsakerna till de funktioner de såg.
DSHARP-kampanjen utformades för att göra just det genom att studera den relativt småskaliga fördelningen av dammpartiklar runt 20 närliggande protoplanetära skivor. Dessa dammpartiklar lyser naturligt i millimetervåglängdsljus, gör det möjligt för ALMA att exakt kartlägga täthetsfördelningen av små, fasta partiklar runt unga stjärnor.
Beroende på stjärnans avstånd från jorden, ALMA kunde urskilja särdrag så små som några få astronomiska enheter. (En astronomisk enhet är det genomsnittliga avståndet mellan jorden och solen – cirka 150 miljoner kilometer, som är en användbar skala för att mäta avstånd på skalan av stjärnsystem). Med hjälp av dessa observationer, forskarna kunde avbilda en hel population av närliggande protoplanetära skivor och studera deras egenskaper i AU-skala.
Forskarna fann att många understrukturer - koncentriska luckor, smala ringar - är vanliga för nästan alla skivor, medan storskaliga spiralmönster och bågliknande egenskaper också förekommer i några av fallen. Också, skivorna och luckorna finns på ett brett spektrum av avstånd från sina värdstjärnor, från några få AU till mer än 100 AU, vilket är mer än tre gånger avståndet från Neptunus från vår sol.
Dessa funktioner, som kan vara avtrycket av stora planeter, kan förklara hur steniga planeter i jordstorlek kan bildas och växa. I årtionden, astronomer har förbryllat över ett stort hinder i planetbildningsteorin:När dammiga kroppar växer till en viss storlek - ungefär en centimeter i diameter - skulle dynamiken hos en slät protoplanetär skiva få dem att falla in på sin värdstjärna, aldrig skaffa den massa som krävs för att bilda planeter som Mars, Venus, och jorden.
De täta ringarna av damm vi nu ser med ALMA skulle skapa en fristad för steniga världar att mogna helt. Deras högre densiteter och koncentrationen av dammpartiklar skulle skapa störningar i skivan, bildar zoner där planetesimals skulle få mer tid att växa till fullfjädrade planeter.
"När ALMA verkligen avslöjade sina förmågor med sin ikoniska bild av HL Tau, vi var tvungna att undra om det var en extremitet eftersom skivan var jämförelsevis massiv och ung, " noterade Pérez. "De här senaste observationerna visar att, fastän slående, HL Tau är långt ifrån ovanlig och kan faktiskt representera den normala utvecklingen av planeter runt unga stjärnor."
