Небольшие «ураганы», формирующиеся вокруг молодых звезд, можно использовать для изучения некоторых аспектов формирования планет. Даже меньшие планеты, которые вращаются вокруг своей звезды на больших расстояниях и вне досягаемости большинства телескопов.
Ученые разработали метод, который использует наблюдения за этими «ураганами» с помощью Большой миллиметровой / субмиллиметровой решетки Атакамы (ALMA) , чтобы наложить некоторые ограничения на массу и возраст планет в молодой звездной системе.
Облака газа, пыли и льда, окружающие молодые звезды, известные как протопланетные диски в форме блинов, — это место, где начинается формирование планет. Благодаря процессу, известному как аккреция ядра, гравитация заставляет частицы в диске слипаться, в конечном итоге образуя более крупные твердые тела, такие как астероиды или планеты. По мере формирования молодых планет они начинают вырезать прорези в протопланетном диске, как канавки на виниловой пластинке.
Даже относительно небольшая планета — по некоторым недавним расчетам, всего лишь десятая часть массы Юпитера — может создавать такие разломы. Супернептуны могут вращаться вокруг своей звезды на расстоянии большем, чем у Плутона вокруг Солнца, поэтому традиционные методы обнаружения экзопланет использовать нельзя .
В дополнение к этим канавкам наблюдения ALMA выявили другие отчетливые структуры в протопланетных дисках, такие как дуги и глыбы в форме арахиса. Считалось, что по крайней мере некоторые из этих структур также были созданы планетами.
Что-то должно спровоцировать формирование этих структур , сказал ведущий автор статьи , проф. Роман Рафиков из Департамента прикладной математики и теоретической физики Кембриджа и Института перспективных исследований в Принстоне, штат Нью-Джерси. Один из возможных механизмов создания этих структур — и, безусловно, самый интригующий — заключается в том, что частицы пыли, которые мы видим в виде дуг и сгустков, концентрируются в центрах жидких вихрей: по сути, небольшие ураганы, которые могут быть вызваны особой нестабильностью на краях разломов. высечены планетами в протопланетные диски.
Работая со своим аспирантом Николасом Цимерманом, Рафиков использовал эту интерпретацию для разработки метода ограничения массы и возраста планеты, если в протопланетном диске наблюдался вихрь. Их результаты были приняты для публикации в двух отдельных статьях в Ежемесячных уведомлениях Королевского астрономического общества.
По словам Рафикова, чрезвычайно сложно изучать меньшие планеты, которые находятся далеко от своей звезды, путем их прямого изображения: это все равно, что пытаться разглядеть светлячка через маяк . Нам нужны другие, другие методы, чтобы узнать эти планеты.
Чтобы разработать свой метод, двое ученых сначала теоретически рассчитали время, необходимое планете для создания вихря в диске. Затем они использовали эти расчеты для ограничения свойств планет в вихревых дисках, по существу 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 характерную щель в диске. Когда это происходит, материал снаружи зазора становится более плотным, чем материал внутри зазора. По мере углубления зазора и увеличения разницы в плотности может возникнуть нестабильность. Эта нестабильность разрушает диск и может в конечном итоге вызвать вихрь.
По словам Саймермана, со временем многие вихри могут сливаться, превращаясь в одну большую дугообразную структуру, которую мы наблюдали с помощью ALMA . Для формирования вихрей требуется время, и исследователи говорят, что их метод подобен часам, которые могут помочь определить массу и возраст планеты.
По словам Рафикова, более массивные планеты производят вихри на более ранних этапах своего развития из-за более сильной гравитации, поэтому мы можем использовать вихри, чтобы наложить некоторые ограничения на массу планеты, даже если мы не можем видеть планету напрямую .
Используя различные точки данных, такие как спектр, светимость и движение, астрономы могут определить приблизительный возраст звезд. С помощью этой информации ученые из Кембриджа рассчитали наименьшую возможную массу планеты, которая могла бы находиться на орбите вокруг звезды с момента образования протопланетного диска и смогла создать вихрь, который мог видеть ALMA. Это помогло им установить нижний предел массы планеты, не наблюдая за ней напрямую.
Применив этот метод к нескольким известным протопланетным дискам с видимыми дугами, напоминающими вихри, исследователи обнаружили, что предполагаемые планеты, образующие вихри, должны иметь массу не менее нескольких десятков земных масс в диапазоне супер-Нептуна.
В своей повседневной работе я часто сосредотачиваюсь на технических аспектах запуска симуляций », — сказал Саймерман. Это здорово, когда все объединяется, и мы можем использовать наши теоретические открытия, чтобы узнать что-то о системах реального мира.
«Наши ограничения можно объединить с ограничениями, предоставляемыми другими методами, чтобы лучше понять характеристики планет и пути формирования планет в этих системах », — сказал Рафиков. Изучая формирование планет в других звездных системах, мы можем больше узнать об эволюции нашей Солнечной системы.