Ett team av forskare som använder Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) för att studera den unga stjärnan Elias 2-27 har bekräftat att gravitationsinstabilitet spelar en nyckelroll i planetbildningen, och har för första gången direkt mätt massan av protoplanetära skivor med hjälp av gashastighetsdata, potentiellt låsa upp ett av mysterierna med planetbildning. Resultaten av forskningen publiceras idag i två artiklar i The Astrofysisk tidskrift .

Protoplanetära skivor - planetbildande skivor gjorda av gas och damm som omger nybildade unga stjärnor - är kända för forskare som planeternas födelseplats. Den exakta processen för planetbildning, dock, har förblivit ett mysterium. Den nya forskningen, ledd av Teresa Paneque-Carreño – en nyutexaminerad från Universidad de Chile och Ph.D. student vid universitetet i Leiden och European Southern Observatory, och huvudförfattaren på den första av de två artiklarna – fokuserar på att låsa upp mysteriet med planetbildning.

Under observationer, forskare bekräftade att stjärnsystemet Elias 2-27 – en ung stjärna som ligger mindre än 400 ljusår från jorden i stjärnbilden Ophiuchus – uppvisade bevis på gravitationsinstabilitet som uppstår när planetbildande skivor bär en stor del av systemets stjärna. massa. "Hur exakt bildas planeter är en av huvudfrågorna inom vårt område. Men, det finns några nyckelmekanismer som vi tror kan påskynda processen för planetbildning, " sa Paneque-Carreño. "Vi hittade direkta bevis för gravitationsinstabilitet i Elias 2-27, vilket är väldigt spännande eftersom det här är första gången som vi kan visa kinematiska och multivåglängdsbevis på att ett system är gravitationsinstabilt. Elias 2-27 är det första systemet som kontrollerar alla rutorna."

Elias 2-27:s unika egenskaper har gjort den populär bland ALMA-forskare i mer än ett halvt decennium. 2016, ett team av forskare som använde ALMA upptäckte ett dammhjul som virvlade runt den unga stjärnan. Spiralerna troddes vara resultatet av densitetsvågor, allmänt känt för att producera de igenkännbara armarna av spiralgalaxer – som Vintergatans galax – men vid den tiden, hade aldrig tidigare setts runt enskilda stjärnor.

"Vi upptäckte 2016 att Elias 2-27-skivan hade en annan struktur än andra redan studerade system, något som inte observerats i en protoplanetarisk skiva tidigare:två storskaliga spiralarmar. Gravitationsinstabilitet var en stor möjlighet, men ursprunget till dessa strukturer förblev ett mysterium och vi behövde ytterligare observationer, sa Laura Pérez, Biträdande professor vid Universidad de Chile och huvudutredare för 2016 års studie. Tillsammans med samarbetspartners, hon föreslog ytterligare observationer i flera ALMA-band som analyserades med Paneque-Carreño som en del av hennes M.Sc. avhandling vid Universidad de Chile.

Förutom att bekräfta gravitationsinstabilitet, forskare hittade störningar – eller störningar – i stjärnsystemet utöver teoretiska förväntningar. "Det kan fortfarande finnas nytt material från det omgivande molekylära molnet som faller på skivan, vilket gör allt mer kaotiskt, sade Paneque-Carreño, och tillägger att detta kaos har bidragit till intressanta fenomen som aldrig har observerats tidigare, och som forskarna inte har någon tydlig förklaring till. "Elias 2-27 stjärnsystem är mycket asymmetriskt i gasstrukturen. Detta var helt oväntat, och det är första gången vi har observerat en sådan vertikal asymmetri i en protoplanetär skiva."

Cassandra Hall, Biträdande professor i beräkningsastrofysik vid University of Georgia, och en medförfattare till forskningen, tillade att bekräftelsen av både vertikal asymmetri och hastighetsstörningar - de första storskaliga störningarna kopplade till spiralstruktur i en protoplanetarisk skiva - kan ha betydande konsekvenser för teorin om planetbildning. "Detta kan vara en "rykande pistol" av gravitationsinstabilitet, vilket kan påskynda några av de tidigaste stadierna av planetbildning. Vi förutspådde denna signatur första gången 2020, och ur en beräkningsastrofysisk synvinkel, det är spännande att ha rätt."

Paneque-Carreño tillade att även om den nya forskningen har bekräftat vissa teorier, det har också väckt nya frågor. "Medan gravitationsinstabilitet nu kan bekräftas förklara spiralstrukturerna i dammkontinuumet som omger stjärnan, det finns också en inre lucka, eller saknat material på skivan, som vi inte har en tydlig förklaring till."

Ett av hindren för att förstå planetbildning var bristen på direkt mätning av massan av planetbildande skivor, ett problem som tas upp i den nya forskningen. Den höga känsligheten hos ALMA Band 6, parat med band 3 och 7, gjorde det möjligt för teamet att närmare studera de dynamiska processerna, densitet, och till och med skivans massa. "Tidigare mätningar av protoplanetarisk skivmassa var indirekta och baserade endast på damm eller sällsynta isotopologer. Med denna nya studie, vi är nu känsliga för hela skivans massa, " sa Benedetta Veronesi - en doktorand vid universitetet i Milano och postdoktor vid École normale supérieure de Lyon, och huvudförfattaren på den andra uppsatsen. "Detta fynd lägger grunden för utvecklingen av en metod för att mäta skivmassa som gör det möjligt för oss att bryta ner en av de största och mest pressande barriärerna inom planetbildningsområdet. Att känna till mängden massa som finns i planetbildande skivor gör det möjligt att oss för att bestämma mängden material som är tillgängligt för bildandet av planetsystem, och för att bättre förstå processen genom vilken de bildas."

Även om teamet har svarat på ett antal nyckelfrågor om rollen av gravitationsinstabilitet och skivmassa i planetbildning, arbetet är ännu inte gjort. "Att studera hur planeter bildas är svårt eftersom det tar miljontals år att bilda planeter. Detta är en mycket kort tidsskala för stjärnor, som lever tusentals miljoner år, men en mycket lång process för oss, " sa Paneque-Carreño. "Vad vi kan göra är att observera unga stjärnor, med skivor av gas och damm runt dem, och försök förklara varför dessa skivor av material ser ut som de gör. Det är som att titta på en brottsplats och försöka gissa vad som hände. Vår observationsanalys parad med framtida djupgående analys av Elias 2-27 kommer att tillåta oss att karakterisera exakt hur gravitationsinstabiliteter verkar i planetbildande skivor, och få mer insikt i hur planeter bildas."