U diskovima plina i prašine oko mladih zvijezda možda se već nalaze planeti koje teleskopi ne mogu izravno vidjeti. Novi rad pokazuje da se njihova masa može procijeniti iz tragova koje ostavljaju u prstenovima prašine. Astronomi time dobivaju praktičan način za traženje novorođenih planeta dok su još duboko uronjeni u materijal iz kojeg nastaju.
Planet koji se ne vidi može odati vlastitu masu
Planeti nastaju u protoplanetarnim diskovima, golemim područjima plina i prašine koja okružuju mlade zvijezde. Ti diskovi nisu jednolično raspoređen materijal. Opservacije teleskopom ALMA pokazale su da mnogi imaju izražene prstenove, praznine i gušća područja u kojima se prašina nakuplja.
Već se dugo pretpostavlja da neke od tih prstenastih struktura nastaju pod utjecajem mladih planeta. Planet koji kruži kroz disk svojom gravitacijom mijenja raspored okolnog materijala. Prašina se tada može nakupljati izvan njegove orbite i stvoriti prsten koji je lakše uočiti nego sam planet.
To je važno jer su novoformirani planeti često skriveni u materijalu iz kojeg nastaju. Preslabi su za izravno opažanje, duboko uronjeni u disk ili zaklonjeni plinom i prašinom oko zvijezde. Astronomi zato ne traže samo planet, nego i tragove njegova utjecaja na okolni disk.
Amena Faruqi sa Sveučilišta Warwick predvodila je tim koji je, zajedno s istraživačima s MIT-a i Sveučilišta McMaster, pokazao da prstenovi prašine ne upućuju samo na moguću prisutnost planeta. Prema radu objavljenom u časopisu The Astrophysical Journal, njihova se svojstva mogu povezati s masom planeta koji ih oblikuje.
Najsjajniji dio prstena postaje mjera planeta
Ključ novog pristupa nije u tome da se protoplanetarni disk samo fotografira, nego da se prstenovi u njemu izmjere. Istraživači su računalnim simulacijama pratili kako planeti različitih masa mijenjaju prašinu u disku. Pritom su se posebno usredotočili na širinu prstena, položaj njegova najsjajnijeg dijela i količinu prašine koja se u njemu nakupila.
Pokazalo se da ti detalji nisu slučajni. Masivniji planet drukčije oblikuje okolni materijal od planeta manje mase. Njegov utjecaj ostavlja prepoznatljiv raspored prašine, a vrh sjaja u prstenu pokazao se osobito korisnim.
Najvažniji rezultat rada jest jednostavna matematička veza između položaja najsjajnijeg dijela prstena i mase planeta koji ga stvara. Prema autorima, ta veza vrijedi neovisno o valnoj duljini na kojoj se disk promatra i ne ovisi presudno o veličini zrnaca prašine koja se vide u opservacijama.
To je snažan rezultat jer metoda ne traži savršeno poznavanje svakog detalja u disku. Astronomi bi je zato mogli primijeniti i na postojeće opservacije, bez toga da za svaki sustav moraju unaprijed znati sve uvjete u plinu i prašini.
Faruqi je prstenove opisala kao planetarne otiske. Do sada se znalo da mogu upućivati na planete, ali nije bilo dovoljno čvrstog načina da se iz njihovih obilježja izračuna masa skrivenog tijela. Novi rad pokušava upravo to: pretvoriti vidljivi prsten u mjerljiv podatak o planetu koji se ne vidi.
PDS 70 kao test na stvarnom planetarnom sustavu
Metoda nije ostala samo na simulacijama. Istraživači su je provjerili na sustavu PDS 70, jednom od rijetkih mladih sustava u kojem su planeti izravno fotografirani unutar protoplanetarnog diska. Zbog toga je PDS 70 posebno vrijedan za ovakvo testiranje: masa planeta može se usporediti s procjenama dobivenima drugim metodama.
Kada su novu metodu primijenili na planet PDS 70c, rezultat se dobro poklopio s ranijim procjenama njegove mase. To je važna potvrda da prstenovi prašine mogu biti više od vizualnog traga poremećaja u disku. U njima se, barem u nekim slučajevima, može skrivati dovoljno podataka za procjenu mase planeta koji ih je oblikovao.
Jessica Speedie, suautorica rada i 51 Pegasi b postdoktorandica na MIT-u, istaknula je da je jedna od prednosti istraživanja upravo prelazak sa simulacija na stvarne sustave. PDS 70 pritom je poslužio kao prirodni laboratorij, jer se metoda mogla iskušati ondje gdje je planet već poznat.
Nakon toga tim je isti pristup primijenio na pet diskova iz novog pregleda exoALMA. Za moguće planete skrivene u tim diskovima izračunali su nove procjene masa, što otvara put primjeni metode na znatno veći broj mladih zvjezdanih sustava.
Prstenovi mogu zadržati ogromne količine prašine
Simulacije su donijele još jedan važan rezultat. U tipičnim diskovima masivniji planeti u nastajanju mogu u prstenovima zadržati vrlo velike količine prašine, u nekim slučajevima i do dvadeset Zemljinih masa. To se slaže s opservacijama ALMA-e, ali postavlja novo pitanje: ako se u tim prstenovima nalazi toliko prašine i sitnog kamenog materijala, zašto ondje već ne vidimo nove planete?
Ralph Pudritz, profesor emeritus na Odjelu za fiziku i astronomiju Sveučilišta McMaster, smatra da bi takva koncentracija materijala mogla biti dovoljna za pokretanje daljnjeg nastanka planeta. U tom slučaju prstenovi oko mladih zvijezda ne bi bili samo trag planeta koji se već oblikovao. Mogli bi biti i mjesta na kojima se materijal ponovno skuplja i priprema za nastanak novih planetarnih tijela.
Takav pogled daje dodatnu važnost opservacijama protoplanetarnih diskova. Prsten može biti znak skrivenog planeta, ali i područje u kojem se prašina i sitni materijal tek približavaju idućoj fazi rasta. Astronomi u takvim sustavima ne gledaju dovršene planetarne arhitekture, nego “gradilišta” na kojima se raspored budućih planeta još oblikuje.
Farzana Meru sa Sveučilišta Warwick istaknula je da nova metoda promatračima daje praktičan način povezivanja vidljivih prstenova prašine s masama planeta koji ih stvaraju. S obzirom na sve detaljnije opservacije ALMA-e i buduće instrumente, takvi alati mogli bi postati posebno važni za proučavanje planeta u najranijim fazama nastanka.
Ako se metoda potvrdi na većem broju sustava, prstenovi prašine oko mladih zvijezda mogli bi postati jedan od glavnih tragova za mjerenje planeta koje još nije moguće izravno fotografirati. U tim svijetlim prstenovima možda se već nalazi zapis o tome kako se iz prašine i plina rađaju planetarni sustavi, uključujući procese koji su nekoć oblikovali i naš Sunčev sustav.
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.
Izvori i publikacija
Časopis / izvor: The Astrophysical Journal
