Представьте, что вам нужно измерить размер комнаты, но в ней совершенно темно. Мы можем кричать, измеряя время, необходимое звуковой волне для удара о стену. Используя этот принцип, астрономы измеряют расстояния до объектов настолько удаленных, что они кажутся просто точками в пространстве. Их особенно интересует вычисление того, как далеко молодые звезды находятся от внутреннего края окружающего протопланетного диска. Эти диски из газа и пыли — места, где планеты формируются на протяжении миллионов лет.
Понимание протопланетных дисков поможет нам прояснить некоторые тайны экзопланет, планет, вращающихся вокруг нашей Солнечной системы. Астрономы хотят знать, как формируются планеты и почему они обнаруживают большие, называемые «горячими юпитерами», очень близко к своим родительским звездам.
Хуан Мэн — аспирант Аризонского университета в Тусоне. Он также является первым автором исследования, опубликованного в Astrophysical Journal, с использованием данных космического телескопа Спитцер и четырех наземных телескопов для определения расстояния от звезды до внутреннего края окружающего ее протопланетного диска. Для этого измерения ученые использовали метод «светового эха». Когда центральная звезда становится ярче, часть света падает на окружающий диск, вызывая запаздывающее «эхо». Астрономы измерили время, которое потребовалось свету, чтобы достичь Земли непосредственно от звезды, и ожидаемое прибытие его эха.
Благодаря специальной теории относительности Эйнштейна мы знаем, что свет распространяется с постоянной скоростью. Чтобы определить заданное расстояние, астрономы могут умножить скорость света на время, которое требуется свету, чтобы добраться из одной точки в другую. Чтобы использовать эту формулу, астрономам нужны были звезды с переменным излучением. Молодые звезды — лучшие кандидаты.
В этом исследовании использовалась звезда YLW 16B, она находится в 400 световых годах от Земли. Его масса аналогична массе Солнца, но ему всего один миллион лет, что очень молодо по сравнению с нашей ежедневной звездой, возраст которой составляет 4,6 миллиарда лет. В течение двух дней наблюдения за этой звездой астрономы заметили временную задержку между выбросами звезды и их эхом в окружающем диске. Наземные обсерватории зафиксировали коротковолновый инфракрасный свет, излучаемый непосредственно звездой, а Спитцер наблюдал длинноволновый свет от эхо-сигналов диска. Из-за плотных межзвездных облаков, закрывающих обзор с Земли, астрономы не могли использовать видимый свет для наблюдения за звездой.
Ученые подсчитали временной лаг: 0,08 а.е., или около 8% среднего расстояния Земля-Солнце. Эти измерения соответствуют теоретическим предсказаниям. Хотя этот метод не может напрямую измерить высоту диска, астрономы смогли определить, что его внутренний край относительно толстый. Ранее астрономы использовали этот метод для измерения размеров аккреционных дисков вокруг сверхмассивных черных дыр. Поскольку из черной дыры не может выйти свет, они сравнили свет от внутреннего края аккреционного диска со светом от внешнего края, чтобы определить размер диска.
Световые эхо от сверхмассивных черных дыр показывают задержку в дни или недели, в то время как от исследуемого протопланетного диска всего 74 секунды. В исследованиях Спитцера впервые в истории методом светового эха был измерен размер протопланетного диска. Этот новый подход можно применить к другим молодым звездам, у которых есть планеты во время формирования диска вокруг них.