Новый метод использования свойств пылевых колец вокруг звезд

Группа астрономов под руководством ученых из Уорикского университета в сотрудничестве с исследователями из Массачусетского технологического института и Университета Макмастера разработала новый метод использования свойств пылевых колец вокруг звезд для оценки массы новорожденных планет

Это исследование предлагает астрономам новый способ поиска и изучения планет, которые слишком глубоко погружены в среду своего формирования, чтобы их можно было увидеть напрямую.

Вихревые диски из газа и пыли, окружающие молодые звезды, — это среда, в которой формируются планеты. Новые мощные телескопы, такие как ALMA, показали, что многие из этих протопланетных дисков содержат поразительные кольцеобразные структуры. Долгое время считалось, что они указывают на наличие планет, потенциально вращающихся вокруг этих дисков, но до сих пор не существовало надёжных методов их интерпретации.

«Эти яркие кольца — не просто красивые структуры, по сути, это отпечатки планет», — говорит ведущий автор исследования Амена Фаруки, аспирантка кафедры астрономии и астрофизики Уорикского университета.

«Мы давно поняли, что кольца могут образовываться из концентрированной пыли, которая скапливается сразу за орбитой молодых планет, но до сих пор нам не удавалось связать особенности этих колец с массой планет».

«Читая» между строк, мы нашли способ определять массу планет, из-за которых образуются кольца, даже если эти планеты слишком тусклые или находятся слишком близко к наблюдателю, чтобы их можно было увидеть напрямую».

Исследовательская группа использовала детальное компьютерное моделирование, чтобы определить, как планеты разной массы формируют пылевые кольца вокруг себя. Они обнаружили, что ширина кольца, расположение его самой яркой точки и количество содержащейся в нем пыли — все это характерные признаки планеты.

Важно отметить, что команда исследователей выявила простую математическую зависимость между расположением пика яркости кольца и массой планеты, на которой оно находится. Эта зависимость сохраняется независимо от длины волны наблюдения и размера пылевых частиц, которые мы видим. Это означает, что астрономы могут применять этот метод к уже имеющимся наблюдениям, не обладая подробными знаниями о состоянии диска.

Чтобы проверить свою теорию, исследователи применили свой метод к PDS 70, одной из немногих систем, в которых удалось получить прямое изображение планет внутри их диска.

Они определили массу планеты PDS 70c, которая в значительной степени совпадает с независимыми оценками. Они также применили этот метод к пяти дискам из недавнего исследования exoALMA, чтобы получить новые оценки массы планет, которые могут находиться внутри них.

Соавтор исследования доктор Джессика Спиди, постдокторант 51 Pegasi b, Массачусетский технологический институт (MIT), добавила: «Одна из сильных сторон этой работы в том, что она не ограничивается теорией — мы смогли применить результаты моделирования непосредственно к реальным наблюдаемым системам».

«Использование системы PDS 70 в качестве лаборатории для проведения наблюдений позволило по-настоящему проверить этот подход и дало нам уверенность в том, что эти методы действительно готовы к широкому применению в кратчайшие сроки».

Полученные данные открывают новые возможности для наблюдения за протопланетными дисками, которые помогут подтвердить существование планет, предположительно скрытых в протопланетных дисках, обнаружить совершенно новые планеты и пролить свет на процессы, которые могли сыграть роль в формировании нашей Солнечной системы.

Старший соавтор, почетный профессор Ральф Пудриц с кафедры физики и астрономии Университета Макмастера, сказал: «Еще один поразительный результат моделирования заключается в том, что в типичных дисках более массивные формирующиеся планеты могут удерживать в своих кольцах до 20 масс Земли в виде пыли».

«Это подтверждает наблюдения, проведенные с помощью телескопа ALMA, но ставит вопрос о том, почему в скоплении пыли и гравия на орбите не были обнаружены новые планеты. Наши результаты показывают, что пыли достаточно много и она достаточно сконцентрирована, чтобы потенциально запустить процесс формирования планет. Это важное открытие, которое послужит толчком для дальнейших наблюдений и теоретических изысканий».

Старший соавтор исследования, доктор Фарзана Меру, преподаватель кафедры физики Уорикского университета, подытожила: «Эта работа дает наблюдателям новый практический инструментарий для установления прямой связи между тем, что мы видим в пылевых кольцах, и массой создающих их планет. Больше всего меня воодушевляет то, что мы работаем над этим именно сейчас. Благодаря телескопу ALMA, который позволяет получать все более детальные изображения дисков планет, и будущим обсерваториям, которые уже не за горами, сейчас самое подходящее время для разработки этих методов».

«Сочетание нашей диагностики на основе изучения пыли с наблюдениями за давлением газа откроет новые возможности для изучения скрытых планет, формирующих эти диски, и разнообразных планетных систем, которые из них образуются».

Источник: Astrophysical Journa

На изображении:

Эта «крупная программа» телескопа ALMA, известная как проект «Подструктуры дисков при высоком угловом разрешении» (DSHARP), позволила получить потрясающие изображения 20 близлежащих протопланетных дисков в высоком разрешении и дала астрономам новое представление о разнообразии их особенностей и о том, с какой скоростью могут формироваться планеты.

Фото: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), С. Эндрюс и др.; NRAO/AUI/NSF, С. Дагнелло.