Hubble odkrywa protoplanetę, która może obalić modele formowania się planet

Kosmiczny Teleskop Hubble’a NASA zobrazował bezpośrednie dowody na uformowanie się protoplanety podobnej do Jowisza poprzez to, co naukowcy opisują jako „intensywny i gwałtowny proces”. Odkrycie to potwierdza długo dyskutowaną teorię powstawania planet takich jak Jowisz, zwaną „niestabilnością dysku”.

Budowany nowy świat jest osadzony w protoplanetarnym dysku pyłowo-gazowym z charakterystyczną spiralną strukturą, która krąży wokół niego, otaczając młodą gwiazdę, której wiek szacuje się na około dwa miliony lat. Było to mniej więcej w wieku naszego Układu Słonecznego, kiedy trwało formowanie się planet. (Układ słoneczny ma obecnie 4,6 miliarda lat.)

„Natura jest inteligentna, może wytwarzać planety na wiele różnych sposobów” – powiedział Thayne Currie z Subaru Telescope i Eureka Scientific, główny autor badania.

Wszystkie planety zbudowane są z materiału, który powstał w gwiezdnym dysku. Dominująca teoria formowania się planet Jowisza nazywa się „akrecją jądra”, podejściem oddolnym, w którym planety osadzone w dysku wyrastają z maleńkich ciał — od ziaren pyłu po skały — i zderzają się ze sobą i sklejają, gdy krążą wokół gwiazda. Ten gazowy rdzeń następnie powoli gromadzi się z dysku. Z kolei podejście niestabilności dysku jest modelem odgórnym, w którym gdy masywny dysk wokół gwiazdy stygnie, grawitacja powoduje, że dysk szybko rozpada się na jeden lub więcej fragmentów masy planety.

Nowo utworzona planeta, zwana AB Aurigae b, jest prawdopodobnie około dziewięć razy większa od Jowisza i krąży wokół swojej gwiazdy macierzystej w odległości 8,6 miliardów mil — ponad dwukrotnie większej od Plutona od naszego Słońca. Z tej odległości, gdyby tak się stało, zajęłoby bardzo dużo czasu, zanim planeta wielkości Jowisza uformowałaby się poprzez akrecję pierwotną. Prowadzi to naukowców do wniosku, że niestabilność dysku umożliwiła tej planecie formowanie się na tak dużej odległości. Kontrastuje to wyraźnie z przewidywaniami formowania się planet przez powszechnie akceptowany model akrecji jądra.

Nowa analiza łączy dane z dwóch instrumentów Hubble’a: Space Telescope Imaging Spectrometer i Near Infrared Camera oraz Multi-Object Spectrograph. Dane te zostały porównane z danymi uzyskanymi z najnowszego instrumentu do obrazowania planet o nazwie SCExAO na japońskim 8,2-metrowym teleskopie Subaru, znajdującym się na szczycie Mauna Kea na Hawajach. Bogactwo danych z teleskopów kosmicznych i naziemnych okazało się kluczowe, ponieważ odróżnienie mniejszych planet od złożonych właściwości dysku, które nie mają nic wspólnego z planetami, jest bardzo trudne.

„Wyjaśnienie tego systemu jest bardzo trudne” – powiedział Corey. „To jeden z powodów, dla których potrzebujemy Hubble’a do tego projektu – czysty obraz, aby lepiej oddzielić światło od dysku i dowolnej planety”.

Pomocna dłoń pomogła również sama natura: masywny dysk pyłu i gazu krążący wokół gwiazdy AB Aurigae przechylił się niemal prosto w naszą stronę z Ziemi.

Curie podkreśliła, że ​​długowieczność Hubble’a odegrała szczególną rolę, pomagając naukowcom zmierzyć orbitę protoplanety. Początkowo był bardzo sceptyczny, że AB Aurigae b była planetą. Dane archiwalne z Hubble’a w połączeniu z obrazami z Subaru okazały się punktem zwrotnym w jego zmianie zdania.

„Nie byliśmy w stanie wykryć tego ruchu od roku lub dwóch” – powiedział Corey. „Hubble dostarczył linii bazowej czasu, wraz z danymi Subaru, przez 13 lat, co wystarczyło, aby móc wykryć ruch orbitalny”.

„Ten wynik usprawnia obserwacje naziemne i kosmiczne, a my cofniemy się w czasie z archiwalnymi obserwacjami Hubble’a” – dodał Olivier Guyon z University of Arizona w Tucson i Subaru Telescope na Hawajach. „AB Aurigae b była teraz obserwowana na wielu długościach fal i wyłonił się spójny obraz – bardzo solidny obraz”.

Wyniki zespołu zostały opublikowane w numerze 4 kwietnia astronomia naturalna.

„To nowe odkrycie jest mocnym dowodem na to, że niektóre gazowe olbrzymy mogą powstawać poprzez mechanizm niestabilności dysku” – powiedział Alan Buss z Carnegie Institution for Science w Waszyngtonie. „Ostatecznie grawitacja jest wszystkim, co się liczy, ponieważ pozostałości procesu formowania się gwiazd połączą się grawitacyjnie, tworząc planety w taki czy inny sposób”.

Zrozumienie wczesnych dni formowania się planet podobnych do Jowisza dostarcza astronomom szerszego kontekstu w historii naszego Układu Słonecznego. Odkrycie to otwiera drogę do przyszłych badań składu chemicznego dysków protoplanetarnych, takich jak AB Aurigae, w tym Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba.