Promatranja instrumentom SPHERE na ESO-ovom Vrlo velikom teleskopu (VLT) rezultirala su dosad najbogatijom galerijom takozvanih diskova ostataka u planetarnim sustavima oko drugih zvijezda. Ta fino raspršena prašina i krhotine otkrivaju prisutnost malih tijela nalik asteroidima i kometima, premalih da bi se mogla izravno uočiti teleskopima.
Gaël Chauvin s Max Planck Instituta za astronomiju, znanstvenik projekta SPHERE i suautor rada, naglašava vrijednost opažanja: “Ovaj skup podataka pravo je astronomsko blago. Pruža izniman uvid u diskove ostataka i omogućuje zaključke o manjim tijelima, poput asteroida i kometa, koja se u tim sustavima ne mogu izravno promatrati.”
Mala tijela i prašina kao fosili ranog planetarnog sustava
U Sunčevu sustavu, osim Sunca, planeta i patuljastih planeta poput Plutona, postoji golema raznolikost manjih tijela. Posebno su važna ona promjera od približno jednog do nekoliko stotina kilometara. Takvi se objekti nazivaju kometima kada povremeno izbacuju plin i prašinu te stvaraju rep i komu, a asteroidima kada takvih pojava nema.
Ta mala tijela čuvaju tragove najranije povijesti svakog planetarnog sustava. U razvoju od sitne međuplanetarne prašine do razvijenih planeta postoji prijelazna faza planetezimala, a asteroidi i kometi predstavljaju preostale primjerke tih tijela koja se nikada nisu razvila u veće planete. Riječ je o donekle izmijenjenim ostacima izvornog materijala iz kojeg su nastali planeti poput Zemlje.
Isto se pitanje logično prenosi i na sustave oko drugih zvijezda. Do danas je otkriveno više od 6000 egzoplaneta, planeta koji kruže oko zvijezda izvan Sunčeva sustava, što je znatno proširilo sliku o raznolikosti planetarnih sustava i položaju našeg u toj velikoj populaciji. No izravno snimanje tih planeta izuzetno je teško. Trenutačno je manje od stotinu egzoplaneta zabilježeno izravnim snimkama, a i tada se čak i plinoviti divovi na slici svode na malu, nejasnu svijetlu mrlju.
“Pronalaženje izravnih tragova malih tijela u udaljenom planetarnom sustavu na temelju slika čini se gotovo nemogućim. Drugi neizravni načini otkrivanja egzoplaneta tu također ne pomažu”, ističe Julien Milli, astronom sa Sveučilišta Grenoble Alpes i suautor studije. Rješenje, paradoksalno, dolazi iz još manjih struktura: iz prašine koja nastaje sudarima planetesimala u mladim sustavima.
U takvim sustavima planetezimali se često sudaraju. Ponekad se pri sudaru spoje u veće tijelo, a ponekad se razbiju u mnoštvo manjih fragmenata. Tako nastaju velike količine nove prašine koja se, uz dovoljno osjetljive instrumente, može otkriti i na vrlo velikim udaljenostima. Kada se masivniji objekt razbije na nebrojeno sitnih zrnaca, ukupni volumen ostaje isti, ali se ukupna površina dramatično poveća. Ako se asteroid promjera oko 1 kilometar razdijeli u zrnca promjera 1 mikrometar (milijunti dio metra), ukupna površina poraste približno milijardu puta. Upravo zbog toga moguće je promatrati diskove ostataka oko mladih zvijezda u reflektiranoj zvjezdanoj svjetlosti. Analizom te prašine astronomi posredno rekonstruiraju raspodjelu malih tijela u promatranom planetarnom sustavu.
Diskovi ostataka, pojas asteroida i Kuiperov pojas
Kako sustav stari, disk ostataka postupno slabi. Sudari među tijelima postaju rjeđi, a sitna zrnca prašine uklanjaju se na više načina: tlak zračenja zvijezde može ih izbaciti u međuzvjezdani prostor, mogu se sudariti i spojiti s većim tijelima ili na kraju završiti u samoj zvijezdi. Sunčev sustav danas je dobar primjer onoga što ostaje nakon nekoliko milijardi godina takvog razvoja.
U našem slučaju preostala su dva glavna pojasa planetezimala. Između Marsa i Jupitera nalazi se pojas asteroida, dok je izvan orbita divovskih planeta smješten rezervoar kometa poznat kao Kuiperov pojas. Uz njih, u ravnini glavnih orbita postoji i sloj sitne prašine koji stvara takozvanu zodijačku svjetlost. Pod vrlo tamnim nebom, neposredno nakon zalaska ili neposredno prije izlaska Sunca, slab, stožasto oblikovan sjaj reflektirane svjetlosti na toj prašini može se vidjeti i golim okom.
Ovako svedene ostatke bilo bi iznimno teško otkriti nekom zamišljenom promatraču koji bi proučavao Sunčev sustav s velike udaljenosti. Nova studija, međutim, pokazuje da se uz najnaprednije današnje teleskope i instrumente prašina u diskovima ostataka oko relativno bliskih zvijezda može pouzdano otkrivati tijekom prvih približno 50 milijuna godina razvoja takvog diska. Upravo to razdoblje predstavlja ključan prozor u fazu u kojoj se u sustavu oblikuju planetesimali i planeti.
Tehnički izazov pritom ostaje vrlo velik. Autori ga uspoređuju s pokušajem snimanja oblaka dima pored snažnog reflektora na stadionu, pri čemu se fotografija pokušava napraviti s nekoliko kilometara udaljenosti. U takvim uvjetima presudan je instrument koji može što učinkovitije potisnuti dominantnu svjetlost zvijezde.
Upravo je to glavna zadaća instrumenta SPHERE, koji je na jednom od četiri teleskopa sustava Very Large Telescope Europskog južnog opservatorija počeo raditi u proljeće 2014. godine.
U središtu SPHERE-a nalazi se načelo koje je lako razumjeti i iz svakodnevice. Kada snažan izvor svjetlosti onemogućava uočavanje slabijih detalja u njegovoj blizini, najjednostavnije je prekriti taj izvor. SPHERE to postiže koronografom, optičkim umetkom u obliku malog diska koji u žarištu instrumenta blokira većinu svjetlosti zvijezde prije snimanja. Takav pristup moguć je jedino ako je vođenje teleskopa iznimno stabilno i ako instrument održava vrlo preciznu kontrolu slike.
Kako bi se ti zahtjevi ispunili, SPHERE primjenjuje vrlo napredan sustav adaptivne optike. Poremećaje koje u svjetlosnom snopu stvara Zemljina atmosfera instrument analizira u stvarnom vremenu, a deformabilno zrcalo neprestano prilagođava svoj oblik tako da se velik dio tih izobličenja kompenzira. Uz to, instrument može raditi i u načinu rada koji filtrira svjetlost određenih svojstava, takozvanu polariziranu svjetlost. Ona je karakteristična za svjetlost reflektiranu na sitnim česticama prašine, za razliku od izravne svjetlosti zvijezde, što dodatno povećava osjetljivost na diskove ostataka.
Statistika diskova i tragovi skrivenih divovskih planeta
Novi rad donosi dosad najopširniju kolekciju slika diskova ostataka snimljenih instrumentom SPHERE u reflektiranoj svjetlosti zvijezda. “Kako bismo dobili ovu kolekciju, obradili smo podatke prikupljene pri promatranju 161 mlade, obližnje zvijezde čije infracrveno zračenje snažno upućuje na prisutnost diska ostataka”, kaže voditeljica istraživanja Natalia Engler s ETH Züricha. “Dobivene slike prikazuju 51 disk ostataka s vrlo različitim svojstvima. Neki su kompaktni, neki razvučeni, neke vidimo praktički s ruba, a druge gotovo licem, a strukture diskova iznimno su raznolike. Četiri diska prvi put su izravno snimljena.”
Usporedba većeg broja objekata ključna je za prepoznavanje pravilnosti u njihovim svojstvima. Analiza 51 diska i zvijezda oko kojih se nalaze potvrdila je nekoliko trendova. Mladi sustavi s masivnijim zvijezdama u pravilu imaju i masivnije diskove ostataka. Slična veza uočena je i kod diskova u kojima se većina materijala nalazi na većim udaljenostima od središnje zvijezde, gdje se također bilježi veća količina prašine.
Posebno su zanimljive unutarnje strukture samih diskova. Na mnogim slikama materijal nije raspoređen jednoliko, nego se organizira u koncentrične prstenove ili pojaseve na određenim udaljenostima od zvijezde. Raspored manjih tijela u Sunčevu sustavu pokazuje vrlo sličan obrazac: asteroidi su pretežno ograničeni na pojas asteroida, a jezgre kometa na Kuiperov pojas.
Takvi pojasevi odavno se dovode u vezu s prisutnošću planeta, osobito plinovitih divova, koji svojim gravitacijskim utjecajem čiste okolni prostor od manjih tijela i oblikuju jasne granice u disku. Neki od tih divovskih planeta u promatranim sustavima već su izravno otkriveni. U pojedinim SPHERE-ovim slikama osobito upečatljive značajke, poput oštro odrezanih unutarnjih rubova ili naglašenih asimetrija, dodatno upućuju na postojanje planeta koje instrumenti još nisu izravno zabilježili.
Na taj način nova kolekcija diskova ostataka definira vrlo konkretne ciljeve za buduća promatranja. Svemirski teleskop James Webb (JWST) i budući Ekstremno veliki teleskop (ELT) koji gradi ESO trebali bi astronomima omogućiti izravno snimanje planeta koji oblikuju ove prstenove prašine i razdvajaju pojaseve asteroida i kometa u udaljenim planetarnim sustavima.
Ivan je novinar i autor koji piše o znanosti, svemiru i povijesti. Gostuje kao stručni sugovornik na Science Discovery i History Channelu te piše za Večernji list. Osnivač je Kozmos.hr, prvog hrvatskog portala posvećenog popularizaciji znanosti.
