Due gruppi indipendenti di astronomi hanno scoperto prove convincenti che tre giovani pianeti sono in orbita attorno a una stella neonata nota come HD 163296. Utilizzando una nuova strategia di ricerca dei pianeti, gli astronomi hanno identificato tre disturbi discreti nel disco pieno di gas di una giovane stella:la prova più forte che i pianeti di nuova formazione siano in orbita lì.

Negli ultimi anni, l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) ha trasformato la nostra comprensione dei dischi protoplanetari, le fabbriche di pianeti piene di gas e polvere che circondano le giovani stelle. Gli anelli e gli spazi vuoti in questi dischi forniscono intriganti prove circostanziali per la presenza di pianeti. Altri fenomeni, però, potrebbe spiegare queste caratteristiche allettanti.

Utilizzando una nuova tecnica di caccia ai pianeti che identifica schemi insoliti nel flusso di gas all'interno di un disco protoplanetario, due squadre di astronomi hanno confermato la distinta, segni distintivi rivelatori di pianeti di nuova formazione in orbita attorno a una stella neonata nella nostra galassia. Questi risultati sono presentati in un paio di articoli che compaiono nel Lettere per riviste astrofisiche .

"Abbiamo esaminato il localizzato, moto su piccola scala del gas nel disco protoplanetario di una stella. Questo approccio completamente nuovo potrebbe scoprire alcuni dei pianeti più giovani della nostra galassia, tutto grazie alle immagini ad alta risoluzione provenienti da ALMA, " ha detto Richard Teague, un astronomo presso l'Università del Michigan e autore principale di uno degli articoli.

Per fare le loro rispettive scoperte, ogni team ha analizzato i dati di varie osservazioni ALMA della giovane stella HD 163296. HD 163296 ha circa 4 milioni di anni e si trova a circa 330 anni luce dalla Terra in direzione della costellazione del Sagittario.

Invece di concentrarti sulla polvere all'interno del disco, che è stato chiaramente rappresentato nella precedente osservazione di ALMA, gli astronomi hanno invece studiato la distribuzione e il movimento del monossido di carbonio (CO) in tutto il disco. Le molecole di CO emettono naturalmente una luce di lunghezza d'onda millimetrica molto particolare che ALMA può osservare. I sottili cambiamenti nella lunghezza d'onda di questa luce dovuti all'effetto Doppler forniscono uno sguardo sulla cinematica, o movimento, del gas nel disco.

Se non ci fossero pianeti, il gas si muoverebbe intorno a una stella in un modo molto semplice, schema prevedibile noto come rotazione kepleriana.

"Ci vorrebbe un oggetto relativamente massiccio, come un pianeta, per creare disturbi localizzati in questo movimento altrimenti ordinato, " ha affermato Christophe Pinte della Monash University in Australia e autore principale di uno dei due articoli. "La nostra nuova tecnica applica questo principio per aiutarci a capire come si formano i sistemi planetari".

Il team guidato da Teague ha identificato due distinti modelli simili a pianeti nel disco, uno a circa 80 unità astronomiche (AU) dalla stella e l'altro a 140 AU. (Un'unità astronomica è la distanza media dalla Terra al Sole, o circa 150 milioni di chilometri.) L'altra squadra, guidato da Pinte, identificato il terzo a circa 260 AU dalla stella. Gli astronomi calcolano che tutti e tre i pianeti hanno una massa simile a Giove.

Le due squadre hanno utilizzato variazioni sulla stessa tecnica, che ha esaminato le anomalie nel flusso del gas, come si vede nelle lunghezze d'onda mutevoli dell'emissione di CO, che indicherebbero che stava interagendo con un oggetto massiccio.

Teague e il suo team hanno misurato le variazioni nella velocità del gas. Ciò ha rivelato l'impatto di più pianeti sul movimento del gas più vicino alla stella.

Pinte e il suo team hanno misurato più direttamente la velocità effettiva del gas, che è migliore per studiare la porzione esterna del disco e può individuare più accuratamente la posizione di un potenziale pianeta.

Rilevamento di protopianeti

"Anche se negli ultimi decenni sono stati scoperti migliaia di esopianeti, rilevare i protopianeti è alla frontiera della scienza, " ha detto Pinte. Le tecniche attualmente utilizzate per trovare esopianeti in sistemi planetari completamente formati, come misurare l'oscillazione di una stella o il modo in cui un pianeta in transito attenua la luce delle stelle, non si prestano alla rilevazione di protopianeti.

Le straordinarie immagini di ALMA di HD 163296 e altri sistemi simili hanno rivelato intriganti schemi di anelli concentrici e spazi vuoti all'interno dei dischi protoplanetari. Queste lacune potrebbero essere la prova che i protopianeti stanno allontanando la polvere e il gas dalle loro orbite, incorporandone una parte nelle proprie atmosfere. Un precedente studio del disco di questa particolare stella mostra che le fessure di polvere e gas si sovrappongono, suggerendo che lì si siano formati almeno due pianeti.

Queste prime osservazioni, però, fornito semplicemente prove circostanziali e non poteva essere utilizzato per stimare con precisione le masse dei pianeti, notato Teague. "Poiché anche altri meccanismi possono produrre spazi vuoti ad anello in un disco protoplanetario, è impossibile dire conclusivamente che i pianeti siano lì semplicemente guardando la struttura complessiva del disco, " Egli ha detto.

Ultima innovazione

La chiave per un rilevamento più conclusivo, nota gli astronomi, sta nello stuzzicare le firme di velocità su piccola scala dal monossido di carbonio.

"Sebbene la polvere svolga un ruolo importante nella formazione del pianeta e fornisca informazioni preziose, il gas rappresenta il 99 percento della massa di un disco protoplanetario, " ha detto il coautore Jaehan Bae del Carnegie Institute for Science. "È quindi fondamentale studiare la cinematica del gas".

La luce emessa da un gas da un disco protoplanetario cambia le sue lunghezze d'onda a seconda del moto relativo del gas rispetto alla Terra a causa dell'effetto Doppler. "Questo è analogo alla tecnica Doppler utilizzata per trovare pianeti completamente formati, " ha detto il coautore Dan Foreman-Mackey del Flatiron Institute. "Anche se invece di guardare i cambiamenti nella lunghezza d'onda dall'oscillazione della stella, ci stiamo immergendo in profondità nel disco per vedere come stanno avvenendo i cambiamenti su larga scala".

La fantastica risoluzione di ALMA ha permesso ai ricercatori di misurare i modelli di velocità del monossido di carbonio in tutto il disco.

"La precisione è sbalorditiva, " ha affermato il coautore Til Birnstiel dell'Osservatorio universitario di Monaco. In un sistema in cui il gas ruota a circa 5 chilometri al secondo, ALMA ha rilevato variazioni di velocità di pochi metri al secondo. "Questo ci permette di trovare deviazioni molto piccole dalla normale rotazione prevista in un disco, " disse Teague. I pianeti cambiano la densità del gas vicino alle loro orbite, che cambia la pressione del gas, inducendo questi corrispondenti cambiamenti di velocità.

"Abbiamo confrontato le osservazioni con modelli al computer per mostrare che i flussi osservati si adattano perfettamente alle previsioni per il modello di flusso attorno a un pianeta appena nato con una massa di poche volte superiore a quella di Giove, ", ha affermato il coautore Daniel Price della Monash University.

Questa nuova tecnica consente agli astronomi di stimare con maggiore precisione le masse protoplanetarie ed è meno probabile che produca falsi positivi. "Ora stiamo portando ALMA in primo piano nel regno del rilevamento dei pianeti, ", ha affermato il coautore Ted Bergin dell'Università del Michigan.

"Spesso nella scienza, le idee si rivelano non funzionare o le ipotesi si rivelano sbagliate. Questo è uno dei casi in cui i risultati sono molto più entusiasmanti di quanto immaginassi, " ha detto Birnstiel.

"Questi studi ci aiuteranno anche a capire come sono nati pianeti come quelli del nostro sistema solare, ", ha affermato il coautore Francois Menard dell'Università di Grenoble in Francia.

Entrambi i team continueranno a perfezionare questo metodo e lo applicheranno ad altri dischi, dove sperano di capire meglio come si formano le atmosfere e quali elementi e molecole vengono consegnati a un pianeta alla sua nascita.

Questa ricerca è stata presentata in due articoli che appariranno nella stessa edizione del Lettere per riviste astrofisiche . La prima è intitolata "Evidenza cinematica di un protopianeta incastonato in un disco circumstellare", di C. Pinte et al. e il secondo "A Kinematic Detection of Two Unseen Jupiter Mass Embedded Protoplanets", di R. Teague et al.