Jakten på andra planeter i vår galax har värmts upp under de senaste decennierna, med 3 869 planeter som upptäckts i 2 886 system och ytterligare 2 898 kandidater väntar på bekräftelse. Även om upptäckten av dessa planeter har lärt forskare mycket om de typer av planeter som finns i vår galax, finns det fortfarande mycket vi inte vet om processen för planetbildning.
För att svara på dessa frågor, ett internationellt team nyligen använd de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) för att genomföra den första storskaliga, högupplösta undersökningen av protoplanetära skivor runt närliggande stjärnor. Känt som Disk Substructures at High Angular Resolution Project (DSHARP), gav detta program högupplösta bilder av 20 närliggande system där damm och gas var i färd med att bilda nya planeter.
Deras resultat delades i en serie av tio papper som kommer att dyka upp i ett specialnummer avThe Astrophysical Journal Letters. Det ansvariga laget inkluderade medlemmar från Harvard Smithsonian Center for Astrophysics (CfA), den Gemensamma ALMA-observatoriet och flera observatorier, forskningsinstitut och universitet.
Denna konstnärs befruktning visar en nybildad stjärna omgiven av en virvlande protoplanetarisk skiva av damm och gas. Kredit: Köpenhamns universitet/Lars Buchhave
I varje fall noterade DSHARP-forskarna närvaron av luckor i skivan som var långt från den centrala stjärnan och som verkade avgränsa skivans inre och yttre delar. De resulterande ringarna var också tätt packade eller bildade tunnare band, beroende på deras avstånd från stjärnan. Dessa mönster, indikerade de, kan vara resultatet av en osynlig planetarisk följeslagare som stör skivan.
En annan möjlighet är att skivstrukturerna är föremål för en global instabilitet som liknar den som ses i spiralgalaxer (som Vintergatan). Enligt forskarna är den mest övertygande förklaringen att stora planeter (som gasjättar) huvudsakligen bildades i de yttre delarna av skivorna, vilket skulle tyda på att planetbildningen sker mycket snabbare än vad nuvarande teorier om planetbildning tillåter.
Denna möjliga förklaring skulle också hjälpa till att förklara hur jordlevande planeter (dvs. steniga och liknar jordens storlek) som bildas närmare sina stjärnor kan överleva de tidiga stadierna av deras bildning. Sean Andrews, en astronom vid Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) och en av ledarna* för ALMA-observationskampanjen, förklarade betydelsen av dessa fynd i en NRAO pressmeddelande :
'Målet med denna månaderslånga observationskampanj var att söka efter strukturella likheter och skillnader i protoplanetära skivor. ALMA:s anmärkningsvärt skarpa syn har avslöjat tidigare osynliga strukturer och oväntat komplexa mönster. Vi ser distinkta detaljer kring ett brett sortiment av unga stjärnor av olika massor. Den mest övertygande tolkningen av dessa mycket olika, småskaliga egenskaper är att det finns osedda planeter som interagerar med skivmaterialet.'
Märkt version av fyra av de tjugo skivor som utgör ALMAs högsta upplösningsundersökning av närliggande protoplanetära skivor. Kredit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO) S. Andrews et al.; NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello
Enligt de ledande modellerna för planetbildning föds planeter av gradvis ackumulering av damm och gas inuti en protoplanetarisk skiva. Detta börjar med att dammkorn smälter samman för att bilda större och större stenar tills asteroider, planetsimaler och planeter dyker upp. Denna process tros ta miljontals år, vilket innebär att protoplanetära skivor i äldre system skulle påverkas mer av den.
Tidiga observationer utförda av ALMA indikerade dock att många unga protoplanetära skivor hade väldefinierade strukturer som ringar och luckor. Dessa egenskaper är vanligtvis förknippade med förekomsten av planeter, och hittades till och med i ett fåtal system som bara var en miljon år gamla. Som Jane Huang, doktorand vid CfA och medlem av forskargruppen, förklarade :
'Det var överraskande att se möjliga signaturer av planetbildning i de allra första högupplösta bilderna av unga diskar. Det var viktigt att ta reda på om dessa var anomalier eller om dessa signaturer var vanliga på diskar.”
Eftersom den tidiga provuppsättningen var så liten, användes DSHARP-kampanjen för att observera andra protoplanetära skivor för jämförelse. Eftersom dammpartiklar är kända för att lysa i millimetervåglängden, kunde kampanjteamet använda ALMA-matrisen för att exakt kartlägga täthetsfördelningen av dammbälten runt unga stjärnsystem och (beroende på stjärnans avstånd) för att kartlägga egenskaper som liten som några få astronomiska enheter.
Bild på den planetbildande skivan HL Tau tagen med Atacama Large Millimeter Array. Kredit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)
Till slut fann forskargruppen att många av understrukturerna (dvs koncentriska luckor och smala ringar) var gemensamma för nästan alla skivor, medan storskaliga spiralmönster och bågliknande egenskaper var mer sällsynta. De fann också att skivorna och luckorna fanns på ett brett spektrum av avstånd från deras värdstjärnor – allt från några få AU till mer än hundra.
Som nämnts kan dessa observationer hjälpa till att lösa ett bestående mysterium när det kommer till teorier om planetbildning. Specifikt har astronomer undrat hur planeter kan bildas när dynamiken hos en slät protoplanetarisk skiva skulle få vilken kropp som helst som är mer än en centimeter i diameter att falla in i sin värdstjärna. Under dessa omständigheter borde steniga objekt större än en asteroid inte existera.
I huvudsak skulle de täta ringarna av damm som teamet observerade skapa störningar i skivan, vilket skulle kunna skapa zoner där planetesimalerna skulle vara säkra och ha den tid de behövde för att växa till planeter. Som Laura Perez, forskare vid University of Chile och medlem av forskargruppen, indikerade:
'När ALMA verkligen avslöjade sina kapaciteter med sin ikoniska bild av HL Tau, var vi tvungna att undra om det var en outlier eftersom skivan var jämförelsevis massiv och ung. Dessa senaste observationer visar att, även om det är slående, är HL Tau långt ifrån ovanlig och kan faktiskt representera den normala utvecklingen av planeter runt unga stjärnor.'
Denna forskning visar den kraft som spjutspetsinstrument och vetenskapliga samarbeten har idag. Tack vare förmågan att se mer och se längre, kan forskare testa astronomiska teorier som aldrig förr. Och i processen bekräftas och utmanas våra mest grundläggande föreställningar om hur universum kom till.
Se till att njuta av den här animationen av hur en protoplanetarisk skiva ser ut, med tillstånd från NRAO Outreach-programmet:
*De andra ledarna för ALMA-observationskampanjen är Andrea Isella från Rice University, Laura Pérez från University of Chile och Cornelis Dullemond från Heidelberg University.
Vidare läsning: NRAO