Le immagini ad alta risoluzione di ALMA dei dischi protoplanetari vicini, che sono i risultati delle sottostrutture del disco al progetto ad alta risoluzione angolare (DSHARP). Attestazione:ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), S. Andrea et al .; NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello
Gli astronomi ne hanno catalogati quasi 4, 000 esopianeti in orbita attorno a stelle lontane. Sebbene la scoperta di questi nuovi mondi ci abbia insegnato molto, c'è ancora molto che non sappiamo sulla nascita dei pianeti e sulle precise ricette cosmiche che generano la vasta gamma di corpi planetari che abbiamo già scoperto, compresi i cosiddetti Giove caldi, enormi mondi rocciosi, pianeti nani ghiacciati, e - si spera presto - analoghi lontani della Terra.
Per aiutare a rispondere a queste e ad altre domande intriganti, un team di astronomi ha condotto il primo su larga scala di ALMA, rilievo ad alta risoluzione di dischi protoplanetari, le cinture di polvere e gas attorno alle giovani stelle.
Conosciuto come le sottostrutture del disco in High Angular Resolution Project (DSHARP), questo "Large Program" dell'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) ha prodotto risultati sorprendenti, immagini ad alta risoluzione di 20 dischi protoplanetari vicini e hanno fornito agli astronomi nuove intuizioni sulla varietà di caratteristiche che contengono e sulla velocità con cui i pianeti possono emergere.
I risultati di questo sondaggio appariranno in un numero speciale di Lettere per riviste astrofisiche .
Secondo i ricercatori, l'interpretazione più convincente di queste osservazioni è che i grandi pianeti, probabilmente simile per dimensioni e composizione a Nettuno o Saturno, forma velocemente, molto più velocemente di quanto consentirebbe la teoria attuale. Tali pianeti tendono anche a formarsi nelle zone più esterne del loro sistema solare a distanze enormi dalle stelle che li ospitano.
Tale precoce formazione potrebbe anche aiutare a spiegare quanto roccioso, I mondi delle dimensioni della Terra sono in grado di evolversi e crescere, sopravvivendo alla loro presunta adolescenza autodistruttiva.
"L'obiettivo di questa campagna di osservazione durata mesi era cercare punti in comune e differenze strutturali nei dischi protoplanetari. La visione straordinariamente nitida di ALMA ha rivelato strutture inedite e schemi inaspettatamente complessi, " ha detto Sean Andrews, astronomo presso l'Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) e leader della campagna osservativa ALMA, insieme ad Andrea Isella della Rice University, Laura Pérez dell'Università del Cile, e Cornelis Dullemond dell'Università di Heidelberg. "Stiamo vedendo dettagli distinti attorno a un vasto assortimento di giovani stelle di varie masse. L'interpretazione più avvincente di queste caratteristiche su piccola scala è che ci sono pianeti invisibili che interagiscono con il materiale del disco".
I principali modelli per la formazione dei pianeti sostengono che i pianeti nascano dal graduale accumulo di polvere e gas all'interno di un disco protoplanetario, a cominciare da granelli di polvere ghiacciata che si uniscono per formare rocce sempre più grandi, fino agli asteroidi, planetesimi, e i pianeti emergono. Questo processo gerarchico dovrebbe richiedere molti milioni di anni per svolgersi, suggerendo che il suo impatto sui dischi protoplanetari sarebbe più diffuso nei vecchi, sistemi più maturi. prove in aumento, però, indica che non è sempre così.
Quattro dei venti dischi che compongono l'indagine con la più alta risoluzione di ALMA sui dischi protoplanetari vicini. - AS 209 è una stella che ospita un disco che ha 1 milione di anni e si trova a circa 400 anni luce dalla Terra. L'immagine di ALMA mostra una serie fitta di anelli polverosi nel suo disco interno e due ulteriori sottili bande di polvere molto lontane dalla stella centrale. - HD 143006 ha circa 5 milioni di anni e risiede a 540 anni luce dalla Terra. Questa stella ospita un disco che mostra ampi spazi tra le corsie polverose che delimitano le porzioni interna ed esterna del disco. Una densa regione a forma di arco, forse annunciando una concentrazione di materiale in cui si stanno formando comete o altri corpi ghiacciati, può essere visto nella parte inferiore sinistra dell'anello esterno. - ALMA rivela ampi bracci a spirale nel disco di polvere in orbita attorno a IM Lup, una giovane stella situata a circa 515 anni luce dalla Terra. Questi modelli possono essere il risultato di un compagno planetario invisibile che perturba il disco, o un'instabilità globale nella struttura del disco simile a quelle osservate nelle galassie a spirale come la Via Lattea. - AS 205 è un sistema a più stelle, con ogni stella che sfoggia il proprio disco polveroso. Poiché la maggior parte delle stelle della Via Lattea sono multiple, questa osservazione fornisce indizi sul potenziale dei pianeti in tali sistemi. Questo sistema si trova a circa 420 anni luce dalla Terra. Credito:ALMA (ESO/NAOJ/NRAO) S. Andrews et al .; NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello
Le prime osservazioni di ALMA su giovani dischi protoplanetari, alcuni hanno solo circa un milione di anni, rivelano strutture sorprendentemente ben definite, inclusi anelli e spazi vuoti prominenti, che sembrano essere i segni distintivi dei pianeti. Gli astronomi sono stati inizialmente cauti nell'attribuire queste caratteristiche alle azioni dei pianeti poiché potrebbero essere in gioco altri processi naturali.
"È stato sorprendente vedere possibili firme della formazione di pianeti nelle primissime immagini ad alta risoluzione di giovani dischi. Era importante scoprire se si trattava di anomalie o se quelle firme erano comuni nei dischi, " ha detto Jane Huang, uno studente laureato al CfA e un membro del gruppo di ricerca.
Poiché il campione iniziale di dischi che gli astronomi potevano studiare era così piccolo, però, era impossibile trarre conclusioni generali. Potrebbe essere che gli astronomi stessero osservando sistemi atipici. Sono state necessarie ulteriori osservazioni su una varietà di dischi protoplanetari per determinare le cause più probabili delle caratteristiche che stavano vedendo.
La campagna DSHARP è stata progettata per fare proprio questo studiando la distribuzione su scala relativamente piccola delle particelle di polvere intorno a 20 dischi protoplanetari vicini. Queste particelle di polvere si illuminano naturalmente con una luce di lunghezza d'onda millimetrica, consentendo ad ALMA di mappare con precisione la distribuzione della densità di piccoli, particelle solide intorno a giovani stelle.
A seconda della distanza della stella dalla Terra, ALMA è stata in grado di distinguere caratteristiche piccole come poche Unità Astronomiche. (Un'unità astronomica è la distanza media della Terra dal Sole, circa 150 milioni di chilometri, che è una scala utile per misurare le distanze sulla scala dei sistemi stellari). Utilizzando queste osservazioni, i ricercatori sono stati in grado di visualizzare un'intera popolazione di dischi protoplanetari vicini e studiarne le caratteristiche in scala AU.
I ricercatori hanno scoperto che molte sottostrutture, spazi concentrici, anelli stretti:sono comuni a quasi tutti i dischi, mentre in alcuni casi sono presenti anche modelli a spirale su larga scala e caratteristiche ad arco. Anche, i dischi e le lacune sono presenti a una vasta gamma di distanze dalle loro stelle ospiti, da poche AU a più di 100 AU, che è più di tre volte la distanza di Nettuno dal nostro Sole.
Queste caratteristiche, che potrebbe essere l'impronta di grandi pianeti, può spiegare come i pianeti rocciosi delle dimensioni della Terra siano in grado di formarsi e crescere. Per decenni, gli astronomi si sono interrogati su un grosso ostacolo nella teoria della formazione dei pianeti:una volta che i corpi polverosi raggiungono una certa dimensione - circa un centimetro di diametro - la dinamica di un disco protoplanetario liscio li indurrebbe a cadere sulla stella ospite, non acquisendo mai la massa necessaria per formare pianeti come Marte, Venere, e Terra.
I densi anelli di polvere che ora vediamo con ALMA produrrebbero un rifugio sicuro per far maturare completamente i mondi rocciosi. La loro maggiore densità e la concentrazione di particelle di polvere creerebbero perturbazioni nel disco, formando zone in cui i planetesimi avrebbero più tempo per crescere in pianeti a tutti gli effetti.
"Quando ALMA ha davvero rivelato le sue capacità con la sua immagine iconica di HL Tau, dovevamo chiederci se questo fosse un valore anomalo dal momento che il disco era relativamente massiccio e giovane, " ha osservato Pérez. "Queste ultime osservazioni mostrano che, sebbene impressionante, HL Tau è tutt'altro che insolito e potrebbe effettivamente rappresentare la normale evoluzione dei pianeti attorno a giovani stelle".
