Οι αστρικοί δίσκοι αποκαλύπτουν πώς δημιουργούνται οι πλανήτες

Τους τελευταίους δυόμισι αιώνες, οι επιστήμονες που οραματίζονται την προέλευση των πλανητικών συστημάτων (συμπεριλαμβανομένου του δικού μας) έχουν επικεντρωθεί σε μια συγκεκριμένη σκηνή:έναν περιστρεφόμενο δίσκο γύρω από ένα νεογέννητο αστέρι, που σμιλεύει πλανήτες από αέριο και σκόνη σαν άργιλος στον τροχό του αγγειοπλάστη. /P>

Αλλά όσο για τη δοκιμή της ιδέας, εντοπίζοντας στην πραγματικότητα έναν εξωπλανήτη που συνενώνεται από την στροβιλιζόμενη ύλη; Καμία τύχη ακόμα. "Σήμερα, όλοι λένε ότι οι πλανήτες σχηματίζονται σε πρωτοπλανητικούς δίσκους", δήλωσε ο Ruobing Dong, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο της Αριζόνα. "Αυτή η πρόταση είναι, τεχνικά, μια θεωρητική δήλωση."

Οι εξελίξεις των τελευταίων ετών δείχνουν ότι δεν θα παραμείνει θεωρητικό για πολύ. Χρησιμοποιώντας όργανα δεύτερης γενιάς τοποθετημένα σε γιγάντια επίγεια τηλεσκόπια, πολλές ομάδες έχουν επιτέλους επιλύσει τις εσωτερικές περιοχές μερικών πρωτοπλανητικών δίσκων, αποκαλύπτοντας απροσδόκητα, αινιγματικά μοτίβα.

Οι πιο πρόσφατες απόψεις εμφανίστηκαν στις 11 Απριλίου, όταν το Ευρωπαϊκό Νότιο Παρατηρητήριο δημοσίευσε οκτώ εικόνες δίσκων γύρω από νεαρά αστέρια που μοιάζουν με τον ήλιο, ίσως απεικονίζοντας πώς έμοιαζε το δικό μας ηλιακό σύστημα στην αρχή του.

Οι εικόνες δεν δείχνουν καθαρά, ξεκάθαρα σημεία φώτων από πλανήτες. Αλλά αυτά και άλλα συστήματα περιέχουν δελεαστικές - αν και έμμεσες - υπαινιγμούς ότι μπορεί να κρύβονται νήπια πλανήτες. Μερικοί δίσκοι είναι σαν δίσκος βινυλίου, με δαχτυλίδια και κενά που θα μπορούσαν να είχαν σκαλιστεί από νέους κόσμους. Σε άλλες, το φως των αστεριών φωτίζει τόσο την επάνω όσο και την κάτω επιφάνεια του δίσκου, σχηματίζοντας μια δομή που μοιάζει με γιο-γιο.

Εάν οι αστρονόμοι μπορούσαν να βρουν έναν εμβρυϊκό πλανήτη σε ένα μέρος όπως αυτό, η ανταμοιβή θα ήταν μεγάλη. Πέρα από την απλή απόδειξη μιας από τις βαθύτερες ιδέες της αστρονομίας, η ποσοτική μέτρηση του πού σχηματίζεται ένας πλανήτης και σε ποιο μέγεθος, θα βοηθούσε αμέσως στη διάκριση μεταξύ των μαχόμενων θεωριών για το πώς γεννιούνται οι πλανήτες.

Μια περιγραφή του σχηματισμού πλανητών, που ονομάζεται συσσώρευση πυρήνα, υποστηρίζει ότι οι πλανήτες σχηματίζονται αργά, συνενώνονται γύρω από βραχώδεις πυρήνες και σε μια περιοχή κοντά στα αστέρια τους. Μια άλλη θεωρία απευθύνεται σε βαρυτικές αστάθειες στο δίσκο, υποδηλώνοντας ότι οι γιγάντιοι πλανήτες μπορούν να συνενωθούν γρήγορα, πολύ μακριά από τα αστέρια τους. Επί του παρόντος, αυτές οι ιδέες μπορούν να δοκιμαστούν σε σχέση με την κατανομή των σημερινών πλανητών στο ηλιακό μας σύστημα και στα εξωηλιακά μας συστήματα. Αλλά δεν έχουν μελετηθεί ποτέ με τη διαδικασία που βρίσκεται ακόμη σε εξέλιξη, προτού οι πλανήτες έχουν την ευκαιρία να μεταναστεύσουν και να αναδιαταχθούν.

Αυτό δίνει στους αστρονόμους που μελετούν αυτά τα συστήματα μια ενοποιητική, ημιτελή αναζήτηση. Κοιτάξτε τους αμυδρά, μακρινούς, ακατάστατους δίσκους. Κυνηγήστε μωρούς πλανήτες. Και επιτέλους, μετά από αιώνες προσμονής, αρχίστε να ξετυλίγετε τις θεμελιώδεις διαδικασίες που διαμορφώνουν αμέτρητους κόσμους σε όλο το σύμπαν.

Άμεση ανίχνευση

Όταν αναζητάτε πλανήτες σε πρωτοπλανητικούς δίσκους, είναι εύκολο να πείσετε τον εαυτό σας ότι τους βλέπετε. Οι αστρονόμοι που μελετούν αυτούς τους δίσκους έχουν ήδη εντοπίσει πολλές κηλίδες φωτός που κρύβονται μέσα τους. Μόλις στις 6 Μαΐου, για παράδειγμα, μια διεθνής ομάδα ανέφερε σημάδια ενός γιγάντιου πλανήτη που κρύβεται σε ένα σύστημα που ονομάζεται CS Cha. Αλλά προς το παρόν αυτές οι κηλίδες παραμένουν απλοί υποψήφιοι πλανήτες, όχι επιβεβαιωμένοι κόσμοι.

«Βρισκόμαστε στο πολύ τριχωτό άκρο της τεχνολογίας», δήλωσε η Katherine Follette, αστρονόμος στο Amherst College. "Στην περίπτωση των πλανητών που είναι ενσωματωμένοι σε δίσκους, απολύτως κάθε ένας από αυτούς εξακολουθεί να συζητείται έντονα."

Αυτή η ασάφεια είναι στενά συνδεδεμένη με τα ίδια ακατάστατα περιβάλλοντα που θα έκαναν αυτούς τους πλανήτες ξεχωριστούς.

Ένα όργανο που οδηγεί την αναζήτηση είναι το SPHERE, τοποθετημένο στο Πολύ Μεγάλο Τηλεσκόπιο στην έρημο Ατακάμα της Χιλής, το οποίο έλαβε τις οκτώ πρόσφατες εικόνες πρωτοπλανητικού δίσκου. Ένα άλλο, στο οποίο εργάζεται η Follette, είναι το Gemini Planet Imager (GPI), ένα αντίπαλο όργανο σε ένα άλλο βουνό της Χιλής.

Και οι δύο σχεδιάστηκαν για να πιάνουν φωτόνια από πλανήτες γύρω από άλλα αστέρια, σε αντίθεση με τις περισσότερες τεχνικές για τη μελέτη εξωπλανητών που βασίζονται σε πιο έμμεσες υπογραφές. Και οι δύο παράγουν επίσης δεδομένα που είναι πιο εύκολο να ερμηνευτούν όταν εκπαιδεύονται σε ακατάστατα, παλαιότερα ηλιακά συστήματα όπου οι δίσκοι έχουν ήδη διαβρωθεί.

Αυτές οι κάμερες χρειάζονται τρόπους για να ξεκολλήσουν αμυδρά τσιμπήματα φωτός μακριά από λαμπερά αστέρια-ξενιστές, όπως να βρείτε μια πυγολαμπίδα που κάθεται στο χείλος ενός μακρινού προβολέα. Χρησιμοποιούν προσαρμοστικά οπτικά, μια τεχνολογία που παρακολουθεί τις διακυμάνσεις στην ατμόσφαιρα και στη συνέχεια παραμορφώνει τα δικά της οπτικά σε πραγματικό χρόνο για να αντισταθμίσει. Αυτό ακυρώνει τον αέρα της Γης, αφαιρώντας τη λάμψη του νυχτερινού ουρανού για να επιτευχθεί υψηλότερη ανάλυση. Χρησιμοποιούν επίσης στεφανογράφους, οι οποίοι αποκλείουν το φως από το αστέρι.

Και πάνω από αυτό, αυτές οι κάμερες κυνηγιού πλανητών χρησιμοποιούν ένα ακόμη τέχνασμα που ονομάζεται διαφορική απεικόνιση. Το SPHERE, για παράδειγμα, τραβάει δύο ταυτόχρονες φωτογραφίες μέσω διαφορετικών πολωμένων φίλτρων. Το ίδιο το Starlight δεν είναι πολωμένο, επομένως το αστέρι φαίνεται το ίδιο και στις δύο εκδόσεις. Μπορεί να αφαιρεθεί. Αλλά όταν το φως διασκορπίζεται, πολώνεται. Αυτό επιτρέπει στους αστρονόμους να τονίσουν τα φωτόνια που έχουν αναπηδήσει από έναν δίσκο ή έναν πλανήτη.

Στη συνέχεια, οι αλγόριθμοι αναζητούν σημεία φωτός που έχουν απομείνει. Αλλά όταν αναζητάτε πλανήτες μέσα σε δίσκους, οι αλγόριθμοι μπορούν να μπερδέψουν συστάδες και σύννεφα για νεογέννητους κόσμους.

Ο Follette και οι συνεργάτες του έχουν περάσει τα τελευταία χρόνια προσπαθώντας να αναλύσουν αυτά τα ψευδή σήματα. Έχουν επίσης μελετήσει αινιγματικούς υποψήφιους πλανήτες, συμπεριλαμβανομένων ορισμένων που δεν φαίνεται να περιφέρονται γύρω από το άστρο του ξενιστή τους σύμφωνα με τους νόμους κίνησης του Κέπλερ, όπως θα έκαναν όλοι οι πλανήτες.

Εν τω μεταξύ, υπάρχει ένα άλλο μονοπάτι προς πλανήτες που εκτυλίσσονται παράλληλα. Παρόλο που οι SPHERE και GPI δεν έχουν βρει αναμφισβήτητα έναν κόσμο που σχηματίζεται, έχουν καταφέρει να τραβήξουν οι ίδιοι τις πιο ευκρινείς φωτογραφίες από πρωτοπλανητικούς δίσκους.

Τελικά, αυτοί οι δίσκοι φιλοξενούν ένα θηριοτροφείο με παράξενα χαρακτηριστικά που μπορεί να συνδέονται με το σχηματισμό πλανητών. «Αυτό έχει αλλάξει εντελώς το παιχνίδι», είπε ο Konstantin Batygin, αστροφυσικός στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια. "Ήταν επαναστατικό."

Το πρόβλημα έγκειται στη συσχέτιση αυτών των χαρακτηριστικών με τους υποτιθέμενους πλανήτες που τα προκαλούν. Και ούτε αυτό είναι εύκολο. «Μιλάμε για τους δίσκους ως πινακίδες πλανητών», είπε ο Follette. "Αλλά αν πρόκειται για πινακίδες πλανητών, είναι εκείνοι που δεν έχουμε ιδέα πώς να ερμηνεύσουμε ακόμη."

Σπειροειδή Κούνια

Σκεφτείτε ένα εντυπωσιακό μοτίβο που παρατηρήθηκε για πρώτη φορά το 2012. Σε τουλάχιστον μισή ντουζίνα πρωτοπλανητικούς δίσκους, κάτι φαίνεται να τυλίγει αέριο και σκόνη σε στροβιλισμούς κοχυλιών όπως οι βραχίονες σπειροειδών γαλαξιών.

Οι αστροφυσικοί έχουν δύο βασικές ιδέες για να εξηγήσουν τι κάνει αυτούς τους σπειροειδείς βραχίονες. Και οι δύο δανείζονται από μια θεωρία δεκαετιών για τις γαλαξιακές σπείρες. Σύμφωνα με αυτή την ιδέα, το αέριο και η σκόνη που περιστρέφονται γύρω από ένα νεογέννητο αστέρι αρχίζουν να συσσωρεύονται σε μια ουράνια κυκλοφοριακή συμφόρηση. Ωστόσο, κάτι πρέπει να ενεργοποιήσει το αρχικό γρύλισμα.

Οι αστρονόμοι έχουν προτείνει ότι σε αστέρια που περιβάλλονται από βαρείς δίσκους -αυτούς που ζυγίζουν τουλάχιστον το ένα τέταρτο όσο το άστρο που περιφέρονται- οι βαρυτικές αστάθειες μπορούν να προκαλέσουν συσσωρεύσεις υλικού σε σπειροειδείς βραχίονες. Ωστόσο, οι ερευνητές βρήκαν πολλούς σπειροειδείς δίσκους που φαίνεται να είναι πολύ κάτω από αυτό το όριο μάζας, υποδηλώνοντας ότι ένας άλλος μηχανισμός μπορεί να λειτουργεί.

Ίσως φταίει ένας κρυμμένος κουκλοπαίκτης. Το 2015, μια ομάδα με επικεφαλής τον Dong, τον αστροφυσικό της Αριζόνα, κατασκεύασε προσομοιώσεις που έδειχναν πώς γιγάντιοι πλανήτες λίγο μεγαλύτεροι από τον Δία θα μπορούσαν επίσης να ενεργοποιήσουν σπειροειδείς στρόβιλους. Ο πλανήτης θα καθόταν ακριβώς στην άκρη ενός από τους βραχίονες και θα έσερνε τη σπείρα κατά μήκος καθώς περιφερόταν γύρω από το αστέρι. Αν συμβαίνει αυτό, κάθε σπείρα είναι σαν ένα γιγάντιο βέλος που δείχνει προς το απόλυτο λατομείο του πεδίου —  έναν πλανήτη σε διαδικασία γέννησης.

Το 2016, η ομάδα του Dong βρήκε στοιχεία ότι αυτές οι σπείρες μπορούν να ενεργοποιηθούν από ένα τεράστιο σώμα. Σε αυτή την περίπτωση, το αντικείμενο ενεργοποίησης που περιφέρεται γύρω από το αστέρι HD 100453 ήταν ένα αστέρι νάνος, το οποίο είναι πιο εύκολο να εντοπιστεί από έναν πλανήτη. Αλλά χρησίμευσε ως απόδειξη της ιδέας. «Μετά από αυτό, οι άνθρωποι άρχισαν να πιστεύουν περισσότερο στο μοντέλο», είπε ο Dong.

Η εύρεση ενός πλανήτη με την άκρη του βραχίονα θα σφράγιζε τη συμφωνία, αλλά οι αστρονόμοι εξακολουθούν να περιμένουν. Σε μια πρόσφατη εργασία στο The Astrophysical Journal Letters , μια ομάδα με επικεφαλής τον Bin Ren, ερευνητή στο Πανεπιστήμιο Johns Hopkins, συγκέντρωσε και ανέλυσε δεδομένα από τη σπείρα του MWC 758 που χρονολογείται περισσότερο από μια δεκαετία.

Κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, η ανάλυση του Ren δείχνει, ότι οι στρόβιλοι μπορεί να περιστρέφονταν τόσο ελαφρά, περίπου στα έξι δέκατα της μοίρας το χρόνο. Αυτή η περιστροφή θα ήταν αναμενόμενη από έναν γιγάντιο πλανήτη έξω στην άκρη ενός βραχίονα που περιφέρεται γύρω από το αστέρι κάθε 600 περίπου χρόνια, είπε ο Ρεν. Αλλά ένας τέτοιος πλανήτης, αν υπάρχει, εξακολουθεί να κρύβεται.

Φυσικά, ακόμα κι αν οι σπείρες συνδέονται οριστικά με πλανήτες, δεν θα οδηγήσουν σε όλους τους νεογέννητους κόσμους. Στις προσομοιώσεις, μόνο οι γιγάντιοι πλανήτες αερίου είναι αρκετά μεγάλοι για να σχεδιάζουν σπειροειδή μοτίβα. Μικρότεροι κόσμοι θα έπρεπε να ανακαλυφθούν με άλλα μέσα. Και ούτε όλοι οι πρωτοπλανητικοί δίσκοι φιλοξενούν σπείρες.

Για παράδειγμα, καμία από τις νέες εικόνες SPHERE δίσκων γύρω από αστέρια που μοιάζουν με τον ήλιο δεν έχει σπειροειδείς βραχίονες. (Αυτό υποδηλώνει ότι η σπειροειδής διαδικασία, όποια και αν είναι, μπορεί να είναι πιο αποτελεσματική γύρω από αστέρια μεγαλύτερης μάζας, είπε ο Χένινγκ Άβενχαους του Ινστιτούτου Αστρονομίας Max Planck στη Χαϊδελβέργη.) Αλλά αυτοί και πολλοί άλλοι πρωτοπλανητικοί δίσκοι δείχνουν κάτι άλλο, κάτι ίσως ακόμη περισσότερο ελπιδοφόρα:κενά.

Πλανήτες στις ρωγμές

Το φθινόπωρο του 2014, οι αστρονόμοι που δοκίμασαν το ALMA, μια συλλογή ραδιοφωνικών πιάτων στις Χιλιανές Άνδεις, αποφάσισαν να το εκπαιδεύσουν στον πιο τεράστιο πρωτοπλανητικό δίσκο που μπορούσαν να βρουν. Όταν η προκύπτουσα εικόνα των κενών κενών και των χοντρές δακτυλίων σε ένα σύστημα που ονομάζεται HL Tauri εμφανίστηκε αργότερα σε μια εσωτερική σύσκεψη της ALMA, διέκοψε την προβολή.

«Μόλις περάσαμε το υπόλοιπο της συνάντησης μιλώντας για το HL Tau», είπε ο Lucas Cieza, αστρονόμος στο Πανεπιστήμιο Diego Portales στη Χιλή. Εξετάζοντας τα κενά, οι συγκεντρωμένοι επιστήμονες συζήτησαν αν παράγονται από πλανήτες. Οι επιστήμονες της ALMA μελέτησαν αργότερα εικόνες ενός άλλου, κοντινού συστήματος που ονομάζεται TW Hydrae, οι οποίες δείχνουν παρόμοια κενά με ακόμη μεγαλύτερη λεπτομέρεια. Αλλά κανένα σύστημα δεν μπορεί να λύσει το ζήτημα εάν τα κενά προκαλούνται από πλανήτες ή από κάτι άλλο. "Η συζήτηση είναι ακόμη σε εξέλιξη", είπε ο Cieza.

Ακριβώς όπως οι σπείρες, τόσο οι πλανήτες όσο και άλλα εφέ μπορούν να σμιλεύσουν κενά. Ένας πλανήτης θα δημιουργούσε ένα χάσμα για χιλιάδες έως εκατομμύρια χρόνια. Καθώς περιφέρεται, τόσο θα τραβούσε το υλικό του δίσκου προς το μέρος του όσο και θα το διασκόρπιζε μακριά από την τροχιά του πλανήτη, αφήνοντας ένα κενό αυλάκι.

Αυτή η βαρυτική χάραξη θα ήταν αθροιστική. Αν και χρειάζεται κάτι μεγαλύτερο από τον Δία για να κάνει μια σπείρα, κόσμοι στο μέγεθος του Ποσειδώνα ή ακόμα και τόσο μικροί όσο η Γη θα μπορούσαν να δημιουργήσουν αξιοσημείωτα κενά, είπε ο Τζέφρι Φουνγκ, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ.

«Όλοι αυτοί οι πλανήτες έχουν τη δυνατότητα να ανοίξουν αρκετά βαθιά κενά που μπορούμε εύκολα να δούμε με τα σημερινά όργανα», είπε. Είναι κρίσιμο, αυτά τα κενά μπορεί να είναι η μόνη βραχυπρόθεσμη ευκαιρία για τη μελέτη του σχηματισμού μικρών πλανητών, που θα ήταν ακόμη πιο δύσκολο από κόσμους μεγέθους Δία να εντοπιστούν απευθείας σε έναν δίσκο.

Τι μπορεί να δημιουργεί αυτά τα κενά αν όχι πλανήτες; Το μαγνητικό πεδίο ενός δίσκου μπορεί να οδηγήσει σε περιοχές αναταράξεων, παρασύροντας το υλικό μακριά από αυτό που γίνεται κενές, μαγνητικές «νεκρές ζώνες». Ή απότομες αλλαγές στη χημεία μπορεί να προκαλέσουν ένα κενό που μιμείται επίσης τη δράση ενός πλανήτη. Η γραμμή χιονιού ενός ηλιακού συστήματος, για παράδειγμα, σηματοδοτεί το όριο μεταξύ του θερμού εσωτερικού δίσκου, όπου το νερό υπάρχει ως ατμός, και του εξωτερικού δίσκου, όπου το νερό παγώνει σε συμπαγείς κόκκους. Παρόμοιες μεταβάσεις συμβαίνουν και για άλλες ενώσεις, όπως το μονοξείδιο του άνθρακα και την αμμωνία.

Η σύγχυση αφήνει τους αστρονόμους να αναζητούν ένα κλειδί απάντησης. «Το καλύτερο σενάριο είναι να δούμε πραγματικά έναν πλανήτη σε ένα κενό», είπε ο Fung. Τεχνικά, η τρέχουσα τεχνολογία δεν θα συλλάβει τον ίδιο τον πλανήτη, αλλά έναν μικρότερο, περιπλανητικό δίσκο υλικού που πέφτει σε έναν. Εάν ένα τέτοιο σήμα μπορούσε να συνδεθεί με μια σπείρα ή ένα κενό, θα βοηθούσε τους παρατηρητές να αρχίσουν να μεταφράζουν εμπρός και πίσω μεταξύ των κόσμων και των χαρακτηριστικών του δίσκου γενικότερα.

Η αναμονή μπορεί να μην είναι πολύ μεγάλη. «Τα πιο συναρπαστικά πράγματα που έχω δει δεν δημοσιεύονται», είπε ο Cieza, ο οποίος αρνήθηκε να σχολιάσει λεπτομέρειες. "Μπορούμε να περιμένουμε πολλά πολύ συναρπαστικά πράγματα τους επόμενους μήνες."

Τα τηλεσκόπια επόμενης γενιάς θα πρέπει επίσης να μπορούν να βοηθήσουν. Το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb θα μπορεί να κοιτάζει μέσα σε δίσκους σε υπέρυθρα μήκη κύματος και να αναζητά απευθείας πλανήτες. Η κυκλοφορία του καθυστέρησε πρόσφατα και πάλι, αυτή τη φορά για το 2020.

Και η πρόκληση της σύλληψης του σχηματισμού πλανητών στην πράξη είναι «μια όμορφη επιστημονική περίπτωση» για τηλεσκόπια κατηγορίας 30 μέτρων, είπε ο Bruce Macintosh του Πανεπιστημίου Stanford, ο οποίος ηγείται της ομάδας GPI. Παρατηρητήρια αυτού του μεγέθους, όπως το εξαιρετικά μεγάλο τηλεσκόπιο που κατασκευάζεται επί του παρόντος στη Χιλή, θα μπορούν να επιλύουν ακόμη μικρότερες δομές μέσα σε πρωτοπλανητικούς δίσκους.

Όποτε συμβεί, οι επιβεβαιωμένες περιπτώσεις σχηματισμού πλανητών θα είναι «πρωτοποριακές», είπε ο Dong. Αυτό που ήταν μια μαθηματική ιστορία πριν τον ύπνο για τη γέννηση των κόσμων θα διαδραματιζόταν σε πραγματικό χρόνο, σε πραγματικά δεδομένα. "Σχετίζεται με το θεμελιώδες ερώτημα από πού προερχόμαστε."