Астрономы используют "маленькие ураганы" для взвешивания и датирования планет вокруг молодых звезд
Исследователи из Кембриджского университета и Института перспективных исследований разработали методику, в которой наблюдения за этими «ураганами» с помощью Большой миллиметровой/субмиллиметровой решетки Атакамы (ALMA) позволяют наложить некоторые ограничения на массу и возраст планет в молодой галактике.
Изображение протопланетного диска вокруг HL Tauri, полученное с помощью ALMA. Фото : ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)
Небольшие «ураганы», формирующиеся в газовых и пылевых дисках вокруг молодых звезд, можно использовать для изучения определенных аспектов формирования планет, даже для меньших планет, которые вращаются вокруг своей звезды на больших расстояниях и недоступны для большинства телескопов.
Исследователи из Кембриджского университета и Института перспективных исследований разработали методику, в которой наблюдения за этими «ураганами» с помощью Большой миллиметровой/субмиллиметровой решетки Атакамы (ALMA) позволяют наложить некоторые ограничения на массу и возраст планет в молодой галактике.
Блиноподобные облака газа, пыли и льда, окружающие молодые звезды, известные как протопланетные диски, — это то место, где начинается процесс формирования планет. Благодаря процессу, известному как аккреция ядра, гравитация заставляет частицы в диске прилипать друг к другу, в конечном итоге образуя более крупные твердые тела, такие как астероиды или планеты. По мере формирования молодых планет они начинают проделывать промежутки в протопланетном диске, как канавки на виниловой пластинке.
Даже относительно небольшая планета — по некоторым недавним расчетам, равная одной десятой массы Юпитера — может создавать такие щели. Поскольку эти «супернептуновые» планеты могут вращаться вокруг своей звезды на расстоянии большем, чем Плутон вращается вокруг Солнца, традиционные методы обнаружения экзопланет не могут быть использованы.
Помимо канавок, наблюдения с ALMA показали другие отчетливые структуры в протопланетных дисках, такие как дуги и скопления в форме банана или арахиса. Считалось, что по крайней мере некоторые из этих структур также приводились в движение планетами.
«Что-то должно вызывать образование этих структур», — сказал ведущий автор профессор Роман Рафиков из Кембриджского отделения прикладной математики и теоретической физики и Института перспективных исследований в Принстоне, штат Нью-Джерси. «Один из возможных механизмов образования этих структур — и, безусловно, самый интригующий — заключается в том, что частицы пыли, которые мы видим в виде дуг и сгустков, концентрируются в центрах вихрей жидкости: по сути, небольших ураганов, которые могут быть вызваны определенной нестабильностью на края промежутков, вырезанных планетами в протопланетных дисках».
Работая со своей докторской степенью студент Николас Цимерман, Рафиков использовал эту интерпретацию для разработки метода ограничения массы или возраста планеты, если в протопланетном диске наблюдается вихрь. Их результаты были приняты для публикации в двух отдельных статьях в Ежемесячных уведомлениях Королевского астрономического общества.
«Чрезвычайно сложно изучать меньшие планеты, которые находятся далеко от своей звезды, напрямую визуализируя их: это все равно, что пытаться разглядеть светлячка перед маяком», — сказал Рафиков. «Нам нужны другие, разные методы, чтобы узнать об этих планетах».
Чтобы разработать свой метод, два исследователя сначала теоретически рассчитали время, необходимое для создания вихря в диске планетой. Затем они использовали эти расчеты для ограничения свойств планет в дисках с вихрями, в основном устанавливая более низкие ограничения на массу или возраст планеты. Они называют эти методы «вихревым взвешиванием» и «вихревым датированием» планет.
Когда растущая планета становится достаточно массивной, она начинает выталкивать материал из диска, создавая контрольный разрыв в диске. Когда это происходит, материал снаружи зазора становится более плотным, чем материал внутри зазора. По мере того как зазор становится глубже и различия в плотности становятся большими, может возникнуть нестабильность. Эта нестабильность возмущает диск и в конечном итоге может создать вихрь.
«Со временем несколько вихрей могут сливаться вместе, превращаясь в одну большую структуру, похожую на дуги, которые мы наблюдали с помощью ALMA», — сказал Саймерман. Поскольку вихрям нужно время для формирования, исследователи говорят, что их метод подобен часам, которые могут помочь определить массу и возраст планеты.
«Более массивные планеты производят вихри на более ранних этапах своего развития из-за их более сильной гравитации, поэтому мы можем использовать вихри, чтобы наложить некоторые ограничения на массу планеты, даже если мы не можем видеть планету напрямую», — сказал Рафиков.
Используя различные точки данных, такие как спектры, светимость и движение, астрономы могут определить приблизительный возраст звезды. С помощью этой информации исследователи из Кембриджа рассчитали наименьшую возможную массу планеты, которая могла бы находиться на орбите вокруг звезды с момента образования протопланетного диска и могла создать вихрь, который мог наблюдать ALMA. Это помогло им установить нижний предел массы планеты, не наблюдая ее напрямую.
Применив этот метод к нескольким известным протопланетным дискам с выступающими дугами, напоминающими вихри, исследователи обнаружили, что предполагаемые планеты, создающие эти вихри, должны иметь массы, по крайней мере, в несколько десятков масс Земли в диапазоне супер-Нептуна.
«В своей повседневной работе я часто сосредотачиваюсь на технических аспектах моделирования», — сказал Саймерман. «Это здорово, когда вещи собираются вместе, и мы можем использовать наши теоретические открытия, чтобы узнать что-то о реальных системах».
«Наши ограничения могут быть объединены с ограничениями, обеспечиваемыми другими методами, чтобы улучшить наше понимание планетарных характеристик и путей формирования планет в этих системах», — сказал Рафиков. «Изучая формирование планет в других звездных системах, мы можем узнать больше о том, как развивалась наша собственная Солнечная система».
