Три протопланеты у новорожденной звезды

Протопланеты у молодой звезды в представлении художника NRAO/AUI/NSF; S. Dagnello

Две независимые группы астрономов при помощи телескопа ALMA получили убедительное свидетельство существования трех молодых планет, обращающихся по своим орбитам вокруг новорожденной звезды HD 163296, сообщается в пресс-релизе Европейской Южной обсерватории. Используя новый метод поиска планет, астрономы идентифицировали три возмущения в газовом диске вокруг этой молодой звезды, получив тем самым самое сильное на сегодняшний день свидетельство существования там только что сформировавшихся планет. Это первые планеты, открытые с ALMA.

Хотя за последние двадцать лет открыты тысячи экзопланет, регистрация протопланет остается исключительно трудной наблюдательной задачей – до сих пор в этой области еще не было случаев несомненного отождествления протопланеты. Методы, используемые сейчас для поисков экзопланет работают с уже сформировавшимися планетными системами — это измерение колебаний лучевых скоростей звезд или микрозатмений, вызываемых прохождениями (транзитами) экзопланет по диску материнской звезды. Для регистрации протопланет такие методы не подходят.

Наблюдения на гигантской решетке радиотелескопов миллиметрового / субмиллиметрового диапазона ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) глубоко изменили наше понимание природы протопланетных дисков – газо-пылевых «фабрик планет» вокруг молодых звезд. Кольца и промежутки в этих дисках дают нам косвенное доказательство присутствия там протопланет. Однако, и другие явления тоже могут быть ответственными за появление этих интересных деталей.

Используя новую методику поиска планет, при помощи которой можно идентифицировать необычные структурные особенности газовых потоков внутри планетообразующего диска вокруг молодой звезды, две группы астрономов независимо друг от друга подтвердили наличие отчетливых характерных признаков новообразованных планет, обращающихся вокруг новорожденной звезды. Движение газа вокруг звезды в отсутствии планет имеет очень простую и предсказуемую структуру (кеплеровское вращение), которую почти невозможно изменить когерентно и локально. Только присутствие относительно массивного объекта может привести к появлению возмущений.

«Измерение свойств потока газа в толще протопланетного диска дает нам гораздо больше уверенности в том, что вокруг молодой звезды обращаются планеты, – говорит Кристоф Пинте (Christophe Pinte) из университета Монаш в Австралии и Института планетологии и астрофизики в Гренобле (при университете Гренобля-Альп / CNRS) во Франции, первый автор одной из двух статей. – Этот метод обещает открыть перспективное новое направление в теории образования планетных систем».

Открытия, сделанные обеими группами, основываются на их анализе наблюдений на ALMA молодой звезды HD 163296, расположенной на расстоянии около 330 световых лет ль Земли в созвездии Стрельца. Масса этой звезды примерно вдвое превосходит массу Солнца, но ей всего лишь четыре миллиона лет – одна тысячная возраста Солнца. «Мы искали локализованные маломасштабные движения газа в протопланетном диске вокруг звезды. Благодаря сверхвысокому разрешению, с которым получаются изображения на ALMA, этот совершенно новый подход может помочь обнаружить некоторые из самых молодых планет в нашей Галактике», – говорит Ричард Тиг (Richard Teague), астроном из Мичиганского университета и основной автор второй статьи.

Звезда HD 163296. ALMA (ESO/NAOJ/NRAO); A. Isella; B. Saxton (NRAO/AUI/NSF)

Полученные на ALMA замечательные изображения HD 163296 и других подобных систем выявили интересные структуры протопланетных дисков, состоящие из концентрических колец и промежутков между ними. Эти темные промежутки могут быть результатом того, как протопланеты прокладывают себе путь среди газа и пыли на своих орбитах, причем часть этого вещества может оставаться в их атмосферах. Более раннее исследование этого околозвездного диска показало, что промежутки в пыли и газе накладываются друг на друга, что может свидетельствовать о наличии в системе по крайней мере двух планет. Однако, эти первоначальные наблюдения давали только косвенные свидетельства существования планет и из них невозможно было получить точные оценки массы планет.

Вместо того, чтобы сосредоточиться на изучении структуры пыли внутри диска, ясно очерченной в более ранних наблюдениях на ALMA, астрономы исследовали распределение по диску газообразной окиси углерода (CO). Молекулы CO испускают очень характерное излучение в миллиметровом диапазоне длин волн, которое принимается антеннами ALMA и может быть детально изучено. Очень малые изменения длин волн этого излучения, вызванные эффектом Допплера позволяют измерить движения газа в диске.

Группа Тига идентифицировала две планеты, расположенные примерно на расстояниях в 12 и 21 миллиарда километров от своей материнской звезды. Другая группа под руководством Пинте идентифицировала планету на расстоянии около 39 миллиардов километров от материнской звезды. Вычисленные учеными расстояния соответствуют 80, 140 и 260 расстояниям от Земли до Солнца.

Обе группы использовали варианты одной и той же методики, в основе которой лежит поиск аномалий в газовом потоке по допплеровскому смещению длины волны эмиссионной линии CO. Эти аномалии свидетельствуют о взаимодействии газа с массивным объектом.

Метод, использовавшийся Тигом, который позволил измерять средние изменения в газовом потоке величиной до нескольких процентов, выявил воздействие нескольких планет на движения газа вблизи звезды. Методом, который применял Пинте, можно измерять параметры потока газа более непосредственно и он лучше приспособлен для исследования внешних частей диска. Он позволил исследователям с большей точностью определить положение третьей планеты, но его чувствительность ограничена большими неоднородностями потока, не ниже примерно 10%.

В обоих случаях исследователи отождествили области, где имеются неоднородности в газовом потоке: что-то вроде завихрений, которые возникают в реке вокруг камней. Тщательный анализ этих движений газа позволяет отчетливо выделить влияние планетных тел, близких по массе к Юпитеру.

Новые методы позволяют астрономам более точно оценить массы протопланет и уменьшают вероятность ложных отождествлений. «Мы превратили ALMA в мощный инструмент поиска и регистрации планет», – говорит соватор работы Тед Берген из Мичиганского университета.

Обе группы собираются усовершенствовать свои методы и применить их к исследованию других протопланетных дисков. Ученые надеются лучше понять, как образуются планетные атмосферы и каков первоначальный химический состав планет.

Оба исследования опубликованы в журнале Astrophysical Journal Letters (1, 2).