ALMA nalezla trojici vznikajících planet u nově zrozené hvězdy

Nová metoda umožňuje objevit nejmladší planety v Galaxii

Protoplanetární disky (protoplanetary discs) obklopující mladé hvězdy jsou plynem a prachem naplněné zásobárny hmoty pro tvorbu planet. Prstence a mezery v těchto discích pak představují působivé nepřímé důkazy přítomnosti zárodků planet – protoplanet (protoplanets) [1]. Existují však i jiné procesy, které mohou být za vznik těchto útvarů zodpovědné. Radioteleskop ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) v posledních letech náš pohled na protoplanetární disky zcela změnil.

Dvojici vědeckých týmů se nyní s použitím novátorské metody podařilo nezávisle potvrdit přítomnost charakteristických struktur, za které jsou zodpovědné nově zrozené planety obíhající kolem hvězdy [2]. Postup je založen na identifikaci neobvyklých struktur vznikajících prouděním plynu v disku s rodícími se planetami.

„Měření proudění plynu v protoplanetárním disku přináší mnohem větší míru jistoty, že se planety v okolí mladé hvězdy skutečně nacházejí,“ říká Christophe Pinte (Monash University, Austrálie; Institut de Planétologie et d'Astrophysique de Grenoble, Université de Grenoble-Alpes/CNRS, Francie), hlavní autor jednoho z dvojice článků. „Tato metoda nabízí slibný nový směr výzkumu umožňující pochopit, jak planetární systémy vznikají.“

Oba týmy učinily své objevy na základě zpracování a analýzy dat získaných pomocí teleskopu ALMA. Objektem zájmu byla mladá stálice s označením HD 163296 ležící asi 330 světelných let od Země, která se na obloze nachází v souhvězdí Střelce (Sagittarius) [3]. Jedná se o hvězdu asi 2krát hmotnější než Slunce, ale tisíckrát mladší (je pouze asi čtyři miliony let stará).

„Sledovali jsme lokální drobné poruchy v pohyby plynu uvnitř protoplanetárního disku kolem této hvězdy. Tento zcela nový postup je schopen odhalit ty nejmladší planety v naší Galaxii, a to díky vysokému rozlišení, které ALMA poskytuje,“ říká astronom Richard Teague (University of Michigan), hlavní autor druhého publikovaného článku.

Místo prachové složky, která byla u tohoto disku podrobně zkoumána pomocí ALMA již v minulosti, se astronomové tentokrát zaměřili na rozptýlený oxid uhelnatý (CO). Molekuly CO emitují typické elektromagnetické záření milimetrových vlnových délek, které je ALMA schopná pozorovat ve značných detailech. Drobné změny vlnové délky tohoto záření v důsledku Dopplerova jevu (Doppler effect) pak prozrazují pohyby plynu v nitru disku.

Tým pod vedením Richarda Teague identifikoval dvě planety nacházející se 12 respektive 21 miliard kilometrů od své mateřské hvězdy. Členové druhého týmu pak nalezli další planetu až ve vzdálenosti 39 miliard kilometrů od hvězdy [4].

Oba týmy použily v podstatě pouze dvě různé modifikace stejného postupu, který je založen na pátrání po anomálním pohybu plynu. Ten se projevuje posunem vlnových délek emisí molekuly CO a dokazuje, že plyn interaguje s hmotným objektem [5].

Metoda, kterou využil tým Richarda Teague, je schopná sledovat průměrné odchylky v proudění plynu v řádu několika procent a pomohla odhalit vliv několika planet na pohyby plynu v bližších částech disku. Postup, který použili C. Pinte a jeho kolegové, je založen na přímém měření proudění plynu a je vhodnější ke studiu vnějších partií disku. Autorům umožnil přesněji lokalizovat třetí planetu, ale jeho možnosti jsou omezeny pouze na změny proudění větší než 10 %.

V obou případech se vědcům podařilo identifikovat oblasti, ve kterých pohyb plynu neodpovídá proudění v okolí – situace je analogická vířivému pohybu vody kolem kamenů ležících v řece. Pečlivou analýzou těchto pohybů byli schopni v disku odhalit vliv planetárních těles o hmotnosti srovnatelné s Jupiterem.

Tento nový postup astronomům umožňuje přesněji odhadnout hmotnosti protoplanet a přitom je méně náchylný ke vzniku falešných signálů. „Radioteleskop ALMA se nyní stává vůdčím centrem v oblasti detekce exoplanet,“ říká spoluautor článku Ted Bergin (University of Michigan).

Oba týmy budou pokračovat ve vylepšování svých metod a pokusí se je aplikovat i na jiné protoplanetární disky. Vědci doufají, že vyvinuté postupy jim také pomohou pochopit, jak vznikají planetární atmosféry a jaké prvky či molekuly planety získávají během svého zrodu.

Poznámky

[1] Ačkoliv v uplynulých dvaceti letech bylo objeveno několik tisíc extrasolárních planet, zůstává hledání protoplanet obtížným úkolem a až dosud se vždy jednalo o zpochybnitelná pozorování. Techniky hledání exoplanet v plně vyvinutých planetárních systémech – jako je například měření radiálních rychlostí hvězd nebo fotometrická metoda pátrající po poklesech jasnosti hvězd způsobených tranzitujícími objekty – nejsou k tomuto účelu vhodné.

[2] Pohyb plynu kolem hvězdy (kde se nevyskytují planety) je v principu velmi jednoduchý a předvídatelný. Jedná se o Keplerovskou rotaci, která může být jen stěží nějakým způsobem místně narušena. Pozorované poruchy je tak možné vysvětlit pouze přítomností relativně hmotných objektů.

[3] Úžasné záběry protoplanetárních disků kolem hvězdy HD 163296 a řady dalších stálic získané pomocí ALMA odhalily působivé struktury soustředných prstenců a mezer. Tyto mezery by mohly být důkazem, že vznikající planety vypuzují prach i plyn pryč ze svých oběžných drah, případně se část této hmoty stává součástí jejich atmosfér. Starší studie tohoto konkrétního protoplanetárního disku ukázala, že mezery v prachové a plynné složce se překrývají, což naznačovalo, že by zde mohly existovat minimálně dvě planety.

Tato pozorování však poskytla pouze nepřímý důkaz, ale nebylo možné je použít k odhadu hmotnosti planet.

[4] Odpovídá vzdálenosti 80krát, 140krát a 260krát větší než obíhá Země kolem Slunce.

[5] Postup je do jisté míry podobný tomu, který v 19. století umožnil objevit planetu Neptun. V tomto případě byl pozorovaný anomální pohyb planety Uran vysvětlen gravitačním působením neznámého objektu. Těleso se následně podařilo objevit vizuálně v roce 1846 a ukázalo se, že se jedná o osmou planetu Sluneční soustavy.

Další informace

Výzkum byl prezentován ve dvojici článků uveřejněných ve stejném vydání vědeckého časopisu Astrophysical Journal Letters. První článek autorů C. Pinte a kol. nese název “Kinematic evidence for an embedded protoplanet in a circumstellar disc”, druhý článek autorů R. Teague a kol. nese název “A Kinematic Detection of Two Unseen Jupiter Mass Embedded Protoplanets”.

Složení týmu (C. Pinte): C. Pinte (Monash University, Clayton, Victoria, Austrálie; Univ. Grenoble Alpes, CNRS, IPAG, Grenoble, Francie), D. J. Price (Monash University, Clayton, Victoria, Austrálie), F. Ménard (Univ. Grenoble Alpes, CNRS, IPAG, Grenoble, Francie), G. Duchêne (University of California, Berkeley California, USA; Univ. Grenoble Alpes, CNRS, IPAG, Grenoble, Francie), W.R.F. Dent (Joint ALMA Observatory, Santiago, Chile), T. Hill (Joint ALMA Observatory, Santiago, Chile), I. de Gregorio-Monsalvo (Joint ALMA Observatory, Santiago, Chile), A. Hales (Joint ALMA Observatory, Santiago, Chile; National Radio Astronomy Observatory, Charlottesville, Virginia, USA) a D. Mentiplay (Monash University, Clayton, Victoria, Austrálie).

Složení týmu (R. Teague): Richard D. Teague (University of Michigan, Ann Arbor, Michigan, USA), Jaehan Bae (Department of Terrestrial Magnetism, Carnegie Institution for Science, Washington, DC, USA), Edwin A. Bergin (University of Michigan, Ann Arbor, Michigan, USA), Tilman Birnstiel (University Observatory, Ludwig-Maximilians-Universität München, Munich, Německo) a Daniel Foreman- Mackey (Center for Computational Astrophysics, Flatiron Institute, New York, USA).

Astronomická observatoř ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) je mezinárodním partnerským projektem organizací ESO, NSF (US National Science Foundation) a NINS (National Institutes of Natural Sciences) v Japonsku ve spolupráci s Chilskou republikou. ALMA je za členské státy financována ESO, NSF ve spolupráci s NRC (National Research Council of Canada) a NSC (National Science Council of Taiwan) a NINS ve spolupráci s AS (Academia Sinica) na Taiwanu a KASI (Korea Astronomy and Space Science Institute) v Koreji.

Výstavba a provoz observatoře ALMA jsou ze strany Evropy řízeny ESO, ze strany Severní Ameriky NRAO (National Radio Astronomy Observatory), která je řízena AUI (Associated Universities, Inc.), a za východní Asii NAOJ (National Astronomical Observatory of Japan). Spojená observatoř ALMA (JAO, Joint ALMA Observatory) poskytuje jednotné vedení a řízení stavby, plánování a provoz teleskopu ALMA.

ESO je nejvýznamnější mezivládní astronomická organizace v Evropě, která v současnosti provozuje nejproduktivnějších pozemní astronomické observatoře světa. ESO má 15 členských států: Belgie, Česká republika, Dánsko, Finsko, Francie, Itálie, Německo, Nizozemsko, Portugalsko, Rakousko, Španělsko, Švédsko, Švýcarsko, Velká Británie a dvojici strategických partnerů – Chile, která hostí všechny observatoře ESO, a Austrálii. ESO uskutečňuje ambiciózní program zaměřený na návrh, konstrukci a provoz výkonných pozemních pozorovacích komplexů umožňujících astronomům dosáhnout významných vědeckých objevů. ESO také hraje vedoucí úlohu při podpoře a organizaci celosvětové spolupráce v astronomickém výzkumu. ESO provozuje tři unikátní pozorovací střediska světového významu nacházející se v Chile: La Silla, Paranal a Chajnantor. Na Observatoři Paranal, nejvyspělejší astronomické observatoři světa pro viditelnou oblast, pracuje Velmi velký dalekohled VLT a dva přehlídkové teleskopy – VISTA a VST. Dalekohled VISTA pozoruje v infračervené části spektra a je největším přehlídkovým teleskopem světa, dalekohled VST je největším teleskopem navrženým k prohlídce oblohy ve viditelné oblasti spektra. ESO je významným partnerem zařízení APEX a revolučního astronomického teleskopu ALMA, největšího astronomického projektu současnosti. Nedaleko observatoře Paranal, na hoře Cerro Armazones, staví ESO nový dalekohled ELT (Extremely Large Telescope) s primárním zrcadlem o průměru 39 m, který se stane „největším okem lidstva hledícím do vesmíru“.

Odkazy

• Vědecký člának - Pinte a kol. (Astrophysical Journal Letters)
• Vědecký článek - Teague a kol. (Astrophysical Journal Letters)
• Snímky teleskopu ALMA

Kontakty

Viktor Votruba; národní kontakt; Astronomický ústav AV ČR, 251 65 Ondřejov, Česká republika; Email: votruba@physics.muni.cz

Jiří Srba; překlad; Hvězdárna Valašské Meziříčí, p. o., Česká republika; Email: jsrba@astrovm.cz

Christophe Pinte; Monash University; Clayton, Victoria, Australia; Tel.: +61 4 90 30 24 18; Email: christophe.pinte@univ-grenoble-alpes.fr

Richard Teague; University of Michigan; Ann Arbor, Michigan, USA; Tel.: +1 734 764 3440; Email: rteague@umich.edu

Calum Turner; ESO Assistant Public Information Officer; Garching bei München, Germany; Tel.: +49 89 3200 6670; Email: calum.turner@eso.org

Zdroje a doporučené odkazy:
[1] Tisková zpráva ESO1818