Planeter bildas i skivor av damm och gas som kallas protoplanetära skivor som virvlar runt en central protostjärna under dess slutliga montering. Även om flera dussintals sådana skivor har avbildats, har bara två planeter fångats i färd med att bildas hittills. Nu riktar astronomer de kraftfulla instrumenten ombord på rymdteleskopet James Webb mot protoplanetära skivor för att försöka hitta tidiga ledtrådar om hur planeter bildas och hur dessa planeter påverkar deras födelseskiva.
En trio av studier ledda av University of Michigan, University of Arizona och University of Victoria kombinerade JWST:s bilder med tidigare observationer gjorda av Hubble Space Telescope och Atacama Large Millimeter Array, eller ALMA, i Chile. Baserat på de kompletterande observationerna använde teamet JWST för att observera protoplanetära skivor HL Tau, SAO 206462 och MWC 758 i hopp om att upptäcka alla planeter som kan bildas.
I tidningarna, publicerade i The Astronomical Journal , slog forskarna ihop tidigare osynliga interaktioner mellan den planetbildande skivan och höljet av gas och damm som omger de unga stjärnorna i mitten av de protoplanetära skivorna.
U-M-studien, ledd av UM-astronomen Gabriele Cugno, riktade JWST mot en skiva som omger en protostjärna kallad SAO 206462. Där hittade forskarna potentiellt en planetkandidat i färd med att bildas i en protoplanetarisk skiva, men det var inte planeten de förväntas hitta.
"Flera simuleringar tyder på att planeten borde vara inom skivan, massiv, stor, varm och ljus. Men vi hittade den inte. Det betyder att antingen är planeten mycket kallare än vi tror, eller så kan den vara skymd av vissa material som hindrar oss från att se det", sa Cugno, också medförfattare på alla tre tidningarna. "Vad vi har hittat är en annan planetkandidat, men vi kan inte med 100 % säkerhet säga om det är en planet eller en svag bakgrundsstjärna eller galax som förorenar vår bild. Framtida observationer kommer att hjälpa oss att förstå exakt vad vi tittar på."
Astronomer har observerat skivan tidigare, särskilt med rymdteleskopet Hubble, Subaru-teleskopet, Very Large Telescope och ALMA. Dessa observationer visar en skiva som består av två starka spiraler, som sannolikt lanseras av en formande planet. Planeten som U-M-teamet förväntade sig att hitta är en typ som kallas en gasjätte, planeter som huvudsakligen består av väte och helium, liknande Jupiter i vårt eget solsystem.
"Problemet är att vad vi än försöker upptäcka är hundratusentals, om inte miljoner gånger svagare än stjärnan," sa Cugno. "Det är som att försöka upptäcka en liten glödlampa bredvid en fyr."
För att titta närmare på skivan använde teamet ett instrument på JWST som heter NIRCam. NIRCam upptäcker infrarött ljus, och astronomerna använde instrumentet med en teknik som kallas vinkeldifferentialavbildning. Den här tekniken kan användas för att detektera både den termiska strålningen från planeten, som teamet har gjort för att detektera planetkandidaten, och specifika utsläppslinjer förknippade med material som faller på planeten och träffar dess yta med hög hastighet.
"När material faller på planeten, stöter det på ytan och avger en emissionslinje vid specifika våglängder," sa Cugno. "Vi använder en uppsättning smalbandsfilter för att försöka detektera denna ackretion. Detta har gjorts tidigare från marken vid optiska våglängder, men det här är första gången det har gjorts i infraröd med JWST."
Att avbilda planeternas "råvara"
University of Victoria-tidningen, ledd av astronomistudenten Camryn Mullin, beskriver bilder av skivan som omger den unga stjärnan HL Tau.
"HL Tau är det yngsta systemet i vår undersökning, och fortfarande omgivet av ett tätt inflöde av damm och gas som faller på skivan", säger Mullin, medförfattare till alla tre studierna. "Vi blev förvånade över detaljnivån med vilken vi kunde se detta omgivande material med JWST, men tyvärr döljer det alla signaler från potentiella planeter."
HL Taus skiva är känd för att ha flera ringar och luckor i solsystemets skala som kan hysa planeter.
"Även om det finns massor av bevis för pågående planetbildning, är HL Tau för ung med för mycket mellanliggande damm för att se planeterna direkt", säger Jarron Leisenring, huvudutredare för observationskampanjen som letar efter bildade planeter och astronom vid universitetet från Arizona Steward Observatory. "Vi har redan börjat titta på andra unga system med kända planeter för att skapa en mer komplett bild."
Men till lagets förvåning avslöjade JWST oväntade detaljer om en annan funktion:proto-stjärnhöljet, som i huvudsak är ett tätt inflöde av damm och gas som omger den unga stjärnan som precis börjar smälta samman, enligt Leisenring. Under påverkan av gravitationen faller material från det interstellära mediet inåt stjärnan och skivan, där det fungerar som råmaterial för planeter och deras föregångare.
UArizona-studien, ledd av Kevin Wagner, en NASA Hubble/Sagan Fellow vid UArizona Steward Observatory, undersökte den protoplanetära skivan av MWC 758. I likhet med SAO 206462 avslöjade tidigare observationer av det UArizona-ledda teamet spiralarmar som bildades i skivan, vilket antydde vid en massiv planet som kretsar kring sin värdstjärna.
Även om inga nya planeter upptäcktes i skivan under de senaste observationerna, är känsligheten banbrytande, säger forskarna, eftersom den tillåter dem att lägga de strängaste begränsningarna hittills på de misstänkta planeterna. För det första utesluter resultaten att det finns ytterligare planeter i de yttre delarna av MWC 758, vilket är förenligt med en enda jätteplanet som driver spiralarmarna.
"Avsaknaden av planeter som upptäcks i alla tre systemen säger oss att planeterna som orsakar luckorna och spiralarmarna antingen är för nära sina värdstjärnor eller för svaga för att ses med JWST", säger Wagner, medförfattare till alla tre studierna. . "Om det sistnämnda är sant, säger det oss att de har relativt låg massa, låg temperatur, omgivna av damm eller någon kombination av de tre - vilket troligen är fallet i MWC 758."
Det är viktigt att fånga planeter i färd med att bildas eftersom astronomer inte bara kan ta fram information om bildningsprocessen, utan även om hur kemiska grundämnen distribueras i ett planetsystem.
"Endast cirka 15 procent av stjärnor som solen har planeter som Jupiter. Det är verkligen viktigt att förstå hur de bildas och utvecklas, och att förfina våra teorier", säger UM Michael Meyer, UM-astronom och medförfattare till alla tre studierna. "Vissa astronomer tror att dessa gasjätteplaneter reglerar leveransen av vatten till steniga planeter som bildas i de inre delarna av skivorna."
Att veta hur dessa skivor formas av gasjättar kommer att hjälpa astronomer att i slutändan förstå egenskaperna och utvecklingen av protoplanetära skivor som senare ger upphov till steniga, jordliknande planeter, sa Meyer.
"I princip på varje skiva vi har observerat med tillräckligt hög upplösning och känslighet, har vi sett stora strukturer som luckor, ringar och, i fallet med SAO 206462, spiraler," sa Cugno. "De flesta om inte alla dessa strukturer kan förklaras av att de bildar planeter som interagerar med skivmaterialet, men andra förklaringar som inte involverar närvaron av jätteplaneter finns."
"Om vi äntligen lyckas se dessa planeter kan vi koppla ihop några av strukturerna med bildande följeslagare och relatera bildningsprocesser till egenskaperna hos andra system i mycket senare skeden. Vi kan äntligen koppla ihop prickarna och förstå hur planeter och planetsystem utvecklas som en helhet."
Mer information: Kevin Wagner et al, JWST/NIRCam Imaging of Young Stellar Objects. I. Begränsningar på planeter utanför spiralskivan runt MWC 758, The Astronomical Journal (2024). DOI:10.3847/1538-3881/ad11d5
Gabriele Cugno et al, JWST/NIRCam Imaging of Young Stellar Objects. II. Djupa begränsningar på jätteplaneter och en planetkandidat utanför spiralskivan runt SAO 206462, The Astronomical Journal (2024). DOI:10.3847/1538-3881/ad1ffc
Camryn Mullin et al, JWST/NIRCam Imaging of Young Stellar Objects. III. Detaljerad avbildning av nebulärmiljön runt HL Tau-skivan, The Astronomical Journal (2024). DOI:10.3847/1538-3881/ad2de9
Journalinformation: Astronomisk tidskrift
Tillhandahålls av University of Michigan
