Astronomer släppte denna månad den största samlingen av skarpa, detaljerade bilder av skräpskivor runt unga stjärnor, visar upp den stora variationen av former och storlekar av stjärnsystem under deras främsta planetbildande år. Förvånande, nästan alla visade bevis på planeter.

Bilderna togs under en period av fyra år med ett precisionsinstrument, Gemini Planet Imager (GPI), monterad på det 8 meter långa Gemini South-teleskopet i Chile. GPI använder ett toppmodernt adaptivt optiksystem för att ta bort atmosfärisk oskärpa, ger de skarpaste bilderna hittills av många av dessa diskar.

Markbaserade instrument som GPI, som håller på att uppgraderas för att utföra liknande observationer på den norra himlen från Gemini North Telescope på Hawaii, kan vara ett sätt att screena stjärnor med misstänkta skräpskivor för att avgöra vilka som är värda att rikta in sig på med kraftfullare, men dyrt, teleskop för att hitta planeter – i synnerhet, beboeliga planeter. Flera 20-, 30- och 40-meters teleskop, som Giant Magellan Telescope och Extremely Large Telescope, kommer att komma online under de kommande decennierna, medan det kretsande rymdteleskopet James Webb förväntas skjutas upp 2021.

"Det är ofta lättare att upptäcka den dammfyllda skivan än planeterna, så du upptäcker dammet först och sedan vet du att du ska rikta ditt James Webb-rymdteleskop eller ditt Nancy Grace romerska rymdteleskop mot dessa system, skära ner antalet stjärnor du måste sålla igenom för att hitta dessa planeter i första hand, sa Tom Esposito, en postdoktor vid University of California, Berkeley.

Esposito är första författare till en artikel som beskriver resultaten som dök upp den 15 juni i The Astronomical Journal .

Kometbälten runt andra stjärnor

Skräpskivorna på bilderna är motsvarigheten till Kuiperbältet i vårt solsystem, ett kallt rike ungefär 40 gånger längre bort från solen än jorden – bortom Neptunus omloppsbana – och fullt av stenar, damm och is som aldrig blev en del av någon planet i vårt solsystem. Kometer från bältet – bollar av is och sten – sveper med jämna mellanrum genom det inre solsystemet, ibland orsakar förödelse på jorden, men också att leverera livsrelaterade material som vatten, kol och syre.

Av de 26 bilderna av skräpskivor som erhållits av Gemini Planet Imager (GPI), 25 hade "hål" runt den centrala stjärnan som troligen skapades av planeter som svepte upp stenar och damm. Sju av de 26 var tidigare okända; Tidigare bilder av de andra 19 var inte lika skarpa som de från GPI och hade ofta inte upplösningen för att upptäcka ett inre hål. Undersökningen fördubblar antalet skräpskivor som avbildas med så hög upplösning.

"En av de saker vi hittade är att dessa så kallade skivor verkligen är ringar med inre gläntor, sa Esposito, som också är forskare vid SETI Institute i Mountain View, Kalifornien. "GPI hade en klar bild av de inre regionerna nära stjärnan, medan tidigare, observationer från rymdteleskopet Hubble och äldre instrument från marken kunde inte se tillräckligt nära stjärnan för att se hålet runt den."

GPI har en koronagraf som blockerar ljuset från stjärnan, låter den se så nära som en astronomisk enhet (AU) från stjärnan, eller jordens avstånd från vår sol:93 miljoner miles.

GPI riktade in sig på 104 stjärnor som var ovanligt ljusa i infrarött ljus, vilket indikerar att de var omgivna av skräp som reflekterade stjärnans ljus eller värmdes upp av stjärnan. Instrumentet registrerade polariserat nära-infrarött ljus spritt av små dammpartiklar, ungefär en tusendels millimeter (1 mikron) i storlek, troligen resultatet av kollisioner mellan större stenar i en skräpskiva.

"Det har inte gjorts någon systematisk undersökning av unga skräpskivor nästan så här stora, tittar med samma instrument, använder samma observationssätt och metoder, " Esposito sa. "Vi upptäckte dessa 26 skräpdiskar med mycket konsekvent datakvalitet, där vi verkligen kan jämföra observationerna, något som är unikt när det gäller skräpdiskundersökningar."

De sju skräpskivorna som aldrig tidigare avbildats på detta sätt var bland 13 skivor runt stjärnor som rörde sig tillsammans genom Vintergatan, medlemmar i en grupp som kallas Scorpius-Centaurus stjärnförening, som ligger mellan 100 och 140 parsecs från jorden, eller cirka 400 ljusår.

"Det är som den perfekta fiskeplatsen; vår framgångsfrekvens var mycket högre än något annat vi någonsin har gjort, sa Paul Kalas, en UC Berkeley adjungerad professor i astronomi som är andra författare till uppsatsen. Eftersom alla sju är runt stjärnor som föddes i samma region vid ungefär samma tidpunkt, "Denna gruppen i sig är ett minilaboratorium där vi kan jämföra och kontrastera arkitekturerna hos många planetariska plantskolor som utvecklas samtidigt under en rad förhållanden, något som vi verkligen inte hade innan, " lade Esposito till.

Av de 104 stjärnor som observerades, 75 hade ingen disk av en storlek eller densitet som GPI kunde upptäcka, även om de mycket väl kan vara omgivna av skräp som blivit över från planetbildningen. Tre andra stjärnor observerades vara värdskivor som tillhörde den tidigare "protoplanetära" evolutionens fas.

Hur såg vårt solsystem ut i sin linda?

Omfattningen av skräpskivorna varierade kraftigt, men de flesta varierade mellan 20 och 100 AU. Dessa var runt stjärnor som varierade i ålder från tiotals miljoner år till några hundra miljoner år, en mycket dynamisk period för planeternas utveckling. De flesta var större och ljusare än solen.

Den ena stjärnan, HD 156623, som inte hade ett hål i mitten av skräpskivan var en av de yngsta i gruppen, som passar med teorier om hur planeter bildas. Initialt, den protoplanetära skivan bör vara relativt enhetlig, men när systemet åldras, planeter bildas och sveper ut den inre delen av skivan.

"När vi tittar på yngre cirkumstellära skivor, som protoplanetära skivor som befinner sig i en tidigare fas av evolutionen, när planeter bildas, eller innan planeter har börjat bildas, det finns mycket gas och damm i de områden där vi hittar dessa hål i de äldre skräpskivorna, " sa Esposito. "Något har tagit bort det materialet över tiden, och ett av sätten du kan göra det på är med planeter."

Eftersom polariserat ljus från skräpskivor teoretiskt kan berätta för astronomer dammets sammansättning, Esposito hoppas kunna förfina modeller för att förutsäga sammansättningen – i synnerhet, att upptäcka vatten, vilket anses vara ett villkor för livet.

Studier som dessa kan hjälpa till att svara på en kvardröjande fråga om vårt eget solsystem, sa Kalas.

"Om du vrider tillbaka klockan för vårt eget solsystem med 4,5 miljarder år, vilken av dessa diskar var vi? Var vi en smal ring, eller var vi en luddig klump?" sa han. "Det skulle vara fantastiskt att veta hur vi såg ut då för att förstå vårt eget ursprung. Det är den stora obesvarade frågan."