Tragovi trećeg planeta u sustavu PDS 70 otkriveni zahvaljujući svemirskom teleskopu James Webb

S obzirom na trenutačni broj od 5.599 potvrđenih otkrića egzoplaneta u 4.163 zvjezdanih sustava, uz dodatnih 10.157 kandidata koji čekaju na potvrdu, Svemirski teleskop James Webb otvara nove horizonte u našem razumijevanju kompleksnog svemira. Kako prenosi Universe Today, većina tih planeta otkrivena je koristeći neizravne metode, među kojima su fotometrija tranzita, koja čini 74,4% otkrića, i mjerenja radijalne brzine, s udjelom od 19,4%. Samo mali broj, preciznije 19 planeta (što je otprilike 1,2% od ukupnog broja), otkriven je izravnim snimanjem, sofisticiranom tehnikom koja omogućava detekciju i karakterizaciju planeta na temelju svjetlosti koja se reflektira od njihove atmosfere ili površine. No, s dolaskom nove generacije instrumenata visokog kontrasta i visoke kutne rezolucije, ovaj se pristup počinje značajno mijenjati.

U prvim redovima ovog naprednog istraživanja nalazi se Svemirski teleskop James Webb s njegovim izuzetno sofisticiranim ogledalima i naprednom infracrvenom tehnologijom za snimanje. Zahvaljujući podacima dobivenim pomoću NIRCam kamere (Near-Infrared Camera), istraživači iz međunarodnog projekta MINDS (MIRI mid-INfrared Disk Survey) proučavali su vrlo mladu zvijezdu PDS 70, udaljenu oko 370 svjetlosnih godina, koja ima dva već potvrđena protoplaneta. Njihova istraživanja prostranog diska ostataka koji okružuje zvijezdu otkrila su naznake postojanja trećeg potencijalnog protoplaneta u orbiti oko PDS 70.

Projekt MINDS

Ova otkrića bi mogla imati dalekosežne posljedice za naše shvaćanje formiranja planetarnih sustava. Projekt MINDS je plod međunarodne suradnje koja uključuje znanstvenike iz vodećih institucija poput Max Planck Instituta za astronomiju, Kapteynovog astronomskeg instituta, Instituta za svemirska istraživanja pri Austrijskoj akademiji znanosti, kao i mnogih drugih prestižnih instituta i sveučilišta.

PDS 70 privlači znanstvenu pažnju zbog svoje relativno mlade dobi od 5,3 do 5,5 milijuna godina i impresivnog protoplanetarnog diska. Od 2018. do 2021. godine, dva protoplaneta unutar ovog diska potvrđena su zahvaljujući izravnom snimanju ostvarenom pomoću najsofisticiranijih teleskopa na Zemlji, uključujući instrumente SPHERE i GRAVITY na Very Large Telescope (VLT) Europskog južnog opservatorija (ESO), te Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA).

Koristeći spektralne podatke prikupljene Svemirskim teleskopom James Webb, znanstvenici su proveli detaljnu analizu kemijskog sastava protoplanetarnih diskova u više zvjezdanih sustava. U jednoj od svojih ranijih studija, temeljene na podatke dobivene srednjim infracrvenim instrumentom (MIRI) Svemirskog teleskopa Webb, tim je otkrio prisutnost vode u unutarnjem disku oko PDS 70, koji se nalazi otprilike 160 milijuna km (ili 1.069 AU) od zvijezde. Ovo otkriće ima potencijalno velike implikacije za astrobiologiju i razumijevanje porijekla vode na stjenovitim planetima poput Zemlje, ističući izvanredne sposobnosti teleskopa Webb u promatranju svemira u infracrvenim valnim duljinama koje su nedostupne zemaljskim opservatorijima.

Valentin Christiaens, postdoktorski istraživač na Sveučilištu u Liegeu i KU Leuvenu, i vodeći autor najnovije studije, istaknuo je prednosti koje Webb-ovi instrumenti pružaju zahvaljujući svojoj sposobnosti promatranja u infracrvenim valnim duljinama,. Te valne duljine su nevidljive s površine Zemlje zbog apsorpcije većeg dijela infracrvenog spektra od strane Zemljine atmosfere. “Zahvaljujući Webb-u, možemo provesti mjerenja protoplaneta u formiranju u infracrvenom spektru, što nam omogućava preciznije određivanje parametara koji utječu na modele formiranja planeta,” rekao je Christiaens za Universe Today putem e-maila.

Proučavanje zvjezdanog sustava PDS 70

U svojem najnovijem istraživanju, ekipa se usredotočila na proučavanje zvjezdanog sustava PDS 70, koristeći se podacima prikupljenim pomoću NIRCam kamere na Svemirskom teleskopu James Webb. Ovo istraživanje bilo je dio programa MIRI, koji je zagarantirao vrijeme za promatranje s ciljem dubljeg razumijevanja procesa formiranja planeta. Poseban interes tima bio je usmjeren na PDS 70 zbog indicija o mogućoj prisutnosti trećeg protoplaneta, čineći ovaj sustav izvanrednim “laboratorijem” za analizu interakcija između planeta i diskova, kao i u potrazi za dokazima o akreciji.

Inicijalno, signal koji je upućivao na postojanje potencijalnog trećeg protoplaneta otkriven je 2019. godine zahvaljujući VLT/SPHERE instrumentu, no do danas ta otkrića nisu bila potvrđena. Christiaens objašnjava: “Postojala je mogućnost tumačenja tog signala kao indikacije trećeg planeta u sustavu.” Uz podatke dobivene NIRCam kamerom, njegov tim je težio ponovnom detektiranju i potvrđivanju trećeg planeta. Zahvaljujući visokorazvijenoj optici i koronografu Svemirskog teleskopa Webb, koji uspješno smanjuje smetnje blokirajući zvjezdanu svjetlost, teleskop se pokazao kao iznimno prikladan za ovu svrhu.

Primjenom naprednih algoritama, istraživači su uspjeli izdvojiti zvjezdanu svjetlost od drugih izvora u orbiti, uključujući egzoplanete i ostatke diskova. Christiaens dalje pojašnjava: “Upotrebom metode ‘oduzimanje rotacije’, snimajući dva seta slika prije i poslije rotacije instrumenta, omogućili smo efikasno eliminiranje zvjezdane svjetlosti i kreiranje čistih slika okoline – planeta i diskova.”

Kroz kombiniranje svojih mjerenja s onima iz prethodnih promatranja izvedenih zemaljskim instrumentima i njihovu usporedbu s modelima formiranja planeta, tim je bio u stanju izvesti zaključke o količini plina i prašine akumulirane oko protoplaneta tijekom promatranog razdoblja. Visoka kvaliteta dobivenih slika omogućila je detaljno prikazivanje spiralnih struktura plina i prašine koje hrane drugog potvrđenog kandidata (PDS 70 c), usklađeno s predikcijama modela. Nadalje, uspjeli su identificirati svijetli signal koji je konzistentan s postojanjem protoplaneta okruženog prašinom.

Oorbitalna rezonancija

“Posebno zanimljiva karakteristika ovog kandidata je mogućnost da se nalazi u orbitalnoj rezonanciji 1:2:4 s planetima b i c koji su već potvrđeni u sustavu. To znači da bi njegovo orbitalno razdoblje moglo biti gotovo točno dvostruko, odnosno četverostruko kraće od orbitalnih razdoblja planeta b i c,” pojasnio je Christiaens. Slična situacija može se primijetiti među tri od Jupiterovih galilejskih mjeseca (Ganimed, Europa i Ija) koji su također u 1:2:4 rezonanciji. Potencijalno otkriće zvjezdanog sustava koji obuhvaća tri planeta u takvom usklađenom orbitalnom odnosu otvara nove perspektive u astronomiji. “Ipak, za konačnu potvrdu ove rezonancije nužne su daljnje opservacije,” ističe Christiaens, ukazujući na važnost kontinuiranog istraživanja.

Osim što ističe sposobnosti teleskopa Webb, nova saznanja imaju potencijal preispitati naše shvaćanje formiranja i evolucije planetarnih sustava. S obzirom na to da je jedan od primarnih zadataka JWST-a upotreba njegove infracrvene tehnologije za analizu mladih zvjezdanih sustava u ranim fazama formiranja, otkrića poput ovih su od neprocjenjive vrijednosti. Promatranje mladih zvjezdanih sustava, posebice nakon što su Keplerova otkrića dovela u pitanje prethodne teorije o nastanku planetarnih sustava, postalo je ključno područje interesa za astronome.

Christiaens dodatno pojašnjava: “Migracija planeta igra kritičnu ulogu u razvoju planetarnih sustava, što objašnjava raznolikost otkrivenih sustava putem neizravnih metoda. U zrelim sustavima često vidimo planete u međusobnoj rezonanciji, što upućuje na to da je migracija imala značajan utjecaj. Promatramo iznimno mlad sustav, još uvijek u fazi nastajanja, gdje dva već identificirana ogromna planeta pokazuju znakove rezonancije, a potvrda postojanja trećeg planeta mogla bi ukazivati na sličan rezonantni odnos. Takav scenarij u sunčevom sustavu bio bi snažan pokazatelj sličnih migracijskih procesa u prošlosti, što bi pomoglo objasniti sadašnji raspored divovskih planeta.”

Znanstveni rad uskoro će biti objavljeni u časopisu Astronomy & Astrophysics.