Questa figura mostra gli anelli di polvere attorno alle giovani stelle catturati dal Gemini Planet Imager Exoplanet Survey, o GPIE. Gli anelli mostrano una diversità di forme e dimensioni, resa più estrema dalle diverse proiezioni degli anelli sul cielo. Credito:immagine dell'UC Berkeley di Thomas Esposito
Gli astronomi questo mese hanno rilasciato la più grande raccolta di nitidi, immagini dettagliate di dischi di detriti attorno a giovani stelle, mostrando la grande varietà di forme e dimensioni dei sistemi stellari durante i loro primi anni di formazione dei pianeti. Sorprendentemente, quasi tutti mostravano tracce di pianeti.
Le immagini sono state ottenute in un periodo di quattro anni con uno strumento di precisione, il Gemini Planet Imager (GPI), montato sul telescopio Gemini South da 8 metri in Cile. Il GPI utilizza un sistema di ottica adattiva all'avanguardia per rimuovere la sfocatura atmosferica, fornendo le immagini più nitide fino ad oggi di molti di questi dischi.
Strumenti a terra come GPI, che viene aggiornato per condurre osservazioni simili nel cielo settentrionale dal Gemini North Telescope alle Hawaii, può essere un modo per schermare le stelle con sospetti dischi di detriti per determinare quali valgono la pena di essere presi di mira da più potenti, ma costoso, telescopi per trovare i pianeti, in particolare, pianeti abitabili. Diversi 20-, telescopi da 30 e 40 metri, come il Giant Magellan Telescope e l'Extremely Large Telescope, sarà online nei prossimi due decenni, mentre il telescopio spaziale James Webb in orbita dovrebbe essere lanciato nel 2021.
"Spesso è più facile rilevare il disco pieno di polvere che i pianeti, quindi prima rilevi la polvere e poi sai puntare il tuo James Webb Space Telescope o il tuo Nancy Grace Roman Space Telescope verso quei sistemi, riducendo il numero di stelle che devi setacciare per trovare questi pianeti in primo luogo, "ha detto Tom Esposito, un borsista post-dottorato presso l'Università della California, Berkeley.
Esposito è il primo autore di un articolo che descrive i risultati che è apparso il 15 giugno in Il Giornale Astronomico .
Cinture di comete attorno ad altre stelle
I dischi di detriti nelle immagini sono l'equivalente della fascia di Kuiper nel nostro sistema solare, un regno gelido circa 40 volte più lontano dal sole della Terra - oltre l'orbita di Nettuno - e pieno di rocce, polvere e ghiaccio che non sono mai entrati a far parte di nessun pianeta del nostro sistema solare. Le comete della cintura, palle di ghiaccio e roccia, attraversano periodicamente il sistema solare interno, di tanto in tanto seminando scompiglio sulla Terra, ma anche fornire materiali legati alla vita come l'acqua, carbonio e ossigeno.
Delle 26 immagini di dischi di detriti ottenute dal Gemini Planet Imager (GPI), 25 avevano "buchi" attorno alla stella centrale che probabilmente sono stati creati dai pianeti che spazzavano via rocce e polvere. Sette dei 26 erano precedentemente sconosciuti; le immagini precedenti degli altri 19 non erano nitide come quelle di GPI e spesso non avevano la risoluzione per rilevare un foro interno. L'indagine raddoppia il numero di dischi di detriti ripresi a una risoluzione così elevata.
"Una delle cose che abbiamo scoperto è che questi cosiddetti dischi sono in realtà anelli con radure interne, " disse Esposito, che è anche ricercatore presso il SETI Institute di Mountain View, California. "GPI aveva una visione chiara delle regioni interne vicino alla stella, considerando che in passato, le osservazioni del telescopio spaziale Hubble e dei vecchi strumenti da terra non potevano vedere abbastanza vicino alla stella per vedere il buco intorno ad essa".
Il GPI incorpora un coronografo che blocca la luce della stella, permettendogli di vedere da vicino quanto un'unità astronomica (AU) dalla stella, o la distanza della Terra dal nostro sole:93 milioni di miglia.
Il GPI ha preso di mira 104 stelle che erano insolitamente luminose alla luce infrarossa, indicando che erano circondati da detriti che riflettevano la luce della stella o riscaldati dalla stella. Lo strumento ha registrato la luce polarizzata del vicino infrarosso diffusa da piccole particelle di polvere, dimensioni di circa un millesimo di millimetro (1 micron), probabilmente il risultato di collisioni tra rocce più grandi in un disco di detriti.
Sei dei 26 dischi circumstellari del sondaggio Gemini Planet Imager, evidenziando la diversità di forme e dimensioni che questi dischi possono assumere e mostrando i confini esterni dei sistemi stellari nei loro anni di formazione. Credito:immagine dell'Osservatorio internazionale dei Gemelli, NOIRLab, NSF, AURA e Tom Esposito, UC Berkeley. Elaborazione delle immagini di Travis Recto, Università dell'Alaska Anchorage, Mahdi Zamani e Davide de Martin.
"Non c'è stata alcuna indagine sistematica di giovani dischi di detriti così grandi, guardando con lo stesso strumento, utilizzando le stesse modalità e metodi di osservazione, " ha detto Esposito. "Abbiamo rilevato questi 26 dischi detriti con una qualità dei dati molto coerente, dove possiamo davvero confrontare le osservazioni, qualcosa di unico in termini di indagini sui dischi di detriti."
I sette dischi di detriti mai ripresi in questo modo erano tra 13 dischi attorno a stelle che si muovono insieme attraverso la Via Lattea, membri di un gruppo chiamato associazione stellare Scorpius-Centaurus, che si trova tra 100 e 140 parsec dalla Terra, o circa 400 anni luce.
"È come il luogo perfetto per la pesca; il nostro tasso di successo è stato molto maggiore di qualsiasi altra cosa che abbiamo mai fatto, " ha detto Paul Kalas, un professore a contratto di astronomia della UC Berkeley che è il secondo autore dell'articolo. Poiché tutti e sette sono intorno a stelle nate nella stessa regione all'incirca nello stesso momento, "quel gruppo stesso è un mini-laboratorio in cui possiamo confrontare e confrontare le architetture di molti vivai planetari che si sviluppano simultaneamente in una serie di condizioni, qualcosa che davvero non avevamo prima, " ha aggiunto Esposito.
Delle 104 stelle osservate, 75 non aveva un disco di dimensioni o densità che GPI potesse rilevare, anche se potrebbero essere circondati da detriti lasciati dalla formazione del pianeta. Sono state osservate altre tre stelle ospitare dischi appartenenti alla precedente fase di evoluzione "protoplanetaria".
Che aspetto aveva il nostro sistema solare nella sua infanzia?
L'estensione dei dischi di detriti variava ampiamente, ma la maggior parte variava tra 20 e 100 AU. Si trattava di stelle di età compresa tra decine di milioni di anni e poche centinaia di milioni di anni, un periodo molto dinamico per l'evoluzione dei pianeti. La maggior parte era più grande e più luminosa del sole.
L'unica stella, HD 156623, che non aveva un buco al centro del disco di detriti era uno dei più giovani del gruppo, che si adatta alle teorie su come si formano i pianeti. Inizialmente, il disco protoplanetario dovrebbe essere relativamente uniforme, ma man mano che il sistema invecchia, i pianeti si formano e spazzano via la parte interna del disco.
"Quando osserviamo i dischi circumstellari più giovani, come i dischi protoplanetari che si trovano in una prima fase di evoluzione, quando i pianeti si stanno formando, o prima che i pianeti abbiano iniziato a formarsi, c'è molto gas e polvere nelle aree in cui troviamo questi fori nei vecchi dischi di detriti, " disse Esposito. "Qualcosa ha rimosso quel materiale nel tempo, e uno dei modi in cui puoi farlo è con i pianeti".
Poiché la luce polarizzata dei dischi di detriti può teoricamente dire agli astronomi la composizione della polvere, Esposito spera di perfezionare i modelli per prevedere la composizione, in particolare, per rilevare l'acqua, che si pensa sia una condizione per la vita.
Studi come questi potrebbero aiutare a rispondere a una domanda persistente sul nostro sistema solare, ha detto Kala.
"Se riporti indietro l'orologio del nostro sistema solare di 4,5 miliardi di anni, quale di questi dischi eravamo noi? Se fossimo un anello stretto, o eravamo un blob sfocato?" ha detto. "Sarebbe bello sapere che aspetto avevamo allora per capire le nostre origini. Questa è la grande domanda senza risposta".
