Nowe badanie podważa tradycyjne poglądy na temat powstawania planet, pokazując rozbieżności w składzie gazów pomiędzy rozwijającymi się gazami egzoplaneta i otaczający go dysk.
Badania oparte na analizie układu PDS 70 sugerują, że planety mogą nie tylko akreować gaz ze swoich dysków urodzeniowych, ale mogą także w znacznym stopniu zawierać materiały stałe.
Nowe odkrycia na temat powstawania planet
Wielu naukowców od dawna wierzyło, że rozwijające się planety bardzo przypominają wirujące dyski gazu i pyłu, z których powstają, podobnie jak dzieci często przypominają swoich rodziców.
Jednak nowe badanie prowadzone przez astrofizyków z Uniwersytet Północno-Zachodni sugeruje, że podobieństwo to może nie być tak silne, jak wcześniej sądzono. Badając wciąż tworzącą się egzoplanetę i otaczający ją dysk urodzeniowy, naukowcy odkryli zaskakującą rozbieżność w składzie gazów pomiędzy atmosferą planety a jej dyskiem urodzeniowym.
Uproszczony obraz powstawania planet kwestionowany
To nieoczekiwane odkrycie potwierdza utrzymujące się od dawna wątpliwości co do dokładność uproszczonych modeli tradycyjnie stosowanych do wyjaśniania powstawania planet.
Badanie, opublikowane 18 grudnia w Listy do dzienników astrofizycznychjako pierwszy bezpośrednio porównuje dane z egzoplanety, jej dysku urodzeniowego i gwiazdy macierzystej.
„Dla astrofizyków obserwacyjnych jeden powszechnie akceptowany obraz powstawania planet był prawdopodobnie zbyt uproszczony” – powiedział Chih-Chun „Dino” Hsu z Northwestern, który kierował badaniami. „Według tego uproszczonego obrazu stosunek gazów węgla i tlenu w atmosferze planety powinien odpowiadać stosunkowi gazów węgla i tlenu w jej dysku urodzeniowym – zakładając, że planeta akreuje materiały poprzez gazy znajdujące się w dysku. Zamiast tego znaleźliśmy planetę o znacznie niższym stosunku węgla i tlenu w porównaniu z jej dyskiem. Teraz możemy potwierdzić podejrzenia, że obraz powstawania planet był zbyt uproszczony.”
Hsu jest adiunktem podoktorskim w Centrum Interdyscyplinarnych Poszukiwań i Badań Astrofizycznych (CIERA). Doradza mu Jason Wang, adiunkt fizyki i astronomii w Weinberg College of Arts and Sciences w Northwestern oraz członek CIERA.
Poszukiwanie widocznego materiału urodzeniowego
Wszystkie planety powstają z dysku urodzeniowego, wirującego dysku gazu i pyłu otaczającego nową gwiazdę. Przez miliony lat grawitacja przyciąga gaz i pył, tworząc grudki, które ostatecznie przekształcają się w planety. Do niedawna uzyskanie bezpośredniego widoku dysku urodzeniowego w celu prześledzenia narodzin planety było niemożliwe. Większość obserwowalnych egzoplanet jest zbyt stara, więc ich dyski urodzeniowe już zniknęły.
Wyjątkiem jest jednak PDS 70, dysk urodzeniowy otaczający dwie raczkujące egzoplanety będące gazowymi olbrzymami – podobny do Jupiter — zwane PDS 70b i PDS 70c. Planety, położone zaledwie 366 milionów lat świetlnych od Ziemi, w gwiazdozbiorze Centaura, mają najwyżej 5 milionów lat.
„To układ, w którym widzimy zarówno wciąż powstające planety, jak i materiały, z których powstały” – powiedział Wang. „W poprzednich badaniach analizowaliśmy ten dysk gazu, aby poznać jego skład. Po raz pierwszy byliśmy w stanie zmierzyć skład samej wciąż tworzącej się planety i zobaczyć, jak podobne są materiały na planecie do materiałów w dysku.”
Badanie odcisków palców planet
Aby zmierzyć materiały, Hsu, Wang i ich zespół zbadali światło emitowane przez PDS 70b. To światło, czyli widmo, przypomina odcisk palca, ujawniając skład obiektu, ruch, temperaturę i inne cechy. Każda cząsteczka lub pierwiastek wytwarza własne widmo. Zatem badając te widma, badacze mogą wskazać konkretne cząsteczki lub pierwiastki w obiekcie.
W poprzedniej pracy Wang był współautorem nowych technologii fotonicznych, które umożliwiają astronomom uchwycenie widma wybranych słabych obiektów w pobliżu znacznie jaśniejszych gwiazd. Naukowcy wykorzystali tę technikę, aby wycelować w słabe cechy młodego układu planetarnego.
„Te nowe narzędzia umożliwiają wykonanie naprawdę szczegółowych widm słabych obiektów obok naprawdę jasnych obiektów” – powiedział Wang. „Ponieważ wyzwanie polega na tym, że obok naprawdę jasnej gwiazdy znajduje się naprawdę słaba planeta. Trudno jest wyizolować światło planety w celu analizy jej atmosfery.”
Nieoczekiwane wyniki: Niedopasowanie proporcji węgla do tlenu
Dzięki widmom badacze uzyskali informacje na temat tlenku węgla i wody z PDS 70b. Na tej podstawie obliczyli wywnioskowany stosunek węgla i tlenu w atmosferze planety. Następnie porównali ten stosunek z wcześniej zgłoszonymi pomiarami gazów w dysku.
„Początkowo spodziewaliśmy się, że stosunek węgla do tlenu na planecie może być podobny do tego na dysku” – powiedział Hsu. „Ale zamiast tego odkryliśmy, że zawartość węgla w stosunku do tlenu na planecie jest znacznie niższa niż proporcja w dysku. To było nieco zaskakujące i pokazuje, że nasz powszechnie akceptowany obraz powstawania planet był zbyt uproszczony.”
Składniki stałe i formacja planetarna
Aby wyjaśnić tę rozbieżność, Hsu i Wang uważają, że w grę mogą wchodzić dwa różne scenariusze. Jednym z wyjaśnień jest to, że planeta mogła uformować się, zanim jej dysk został wzbogacony w węgiel. Innym wyjaśnieniem jest to, że planeta mogła urosnąć głównie w wyniku absorpcji dużych ilości materiałów stałych oprócz gazów. Chociaż widma pokazują tylko gazy, część węgla i tlenu mogła początkowo nagromadzić się w ciele stałym – uwięziona w lodzie i pyle.
„Gdyby planeta preferencyjnie absorbowała lód i pył, wówczas lód i pył wyparowałyby przed wejściem na planetę” – powiedział Wang. „Może to nam zatem mówić, że nie możemy po prostu porównywać gazu z gazem. Składniki stałe mogą mieć duży wpływ na stosunek węgla do tlenu”.
Kolejne kroki w badaniach planetarnych
Na potrzeby tego badania zespół zbadał jedynie PDS 70b. Następnie planują obserwować widma drugiej planety w układzie PDS 70.
„Badając razem te dwie planety, możemy jeszcze lepiej zrozumieć historię powstawania układu” – powiedział Hsu. „Ale to także tylko jeden system. Idealnie byłoby, gdybyśmy zidentyfikowali ich więcej, aby lepiej zrozumieć, w jaki sposób powstają planety”.
Odniesienie: „PDS 70b pokazuje gwiezdny stosunek węgla do tlenu” autorstwa Chih-Chun Hsu, Jason J. Wang, Geoffrey A. Blake, Jerry W. Xuan, Yapeng Zhang, Jean-Baptiste Ruffio, Katelyn Horstman, Julianne Cronin , Ben Sappey, Yinzi Xin, Luke Finnerty, Daniel Echeverri, Dimitri Mawet, Nemanja Jovanovic, Clarissa R. Do Ó, Ashley Baker, Randall Bartos, Benjamin Calvin, Sylvain Cetre, Jacques-Robert Delorme, Gregory W. Doppmann, Michael P. Fitzgerald, Joshua Liberman, Ronald A. López, Evan Morris, Jacklyn Pezzato- Rovner, Tobias Schofield, Andrew Skemer, J. Kent Wallace i Ji Wanga, 18 grudnia 2024 r., Listy z dziennika astrofizycznego.
DOI: 10.3847/2041-8213/ad95e8
Badanie zostało wsparte przez Fundację Heising-Simons, Fundację Simonsa i Narodową Fundację Nauki.
