Kosmiczne pierścienie zdradzają masę niewidzialnych planet. Nowa metoda działa jak waga

Wyobraź sobie, że próbujesz oszacować wagę kogoś, kto stoi za grubą zasłoną. Nie widzisz go, ale dostrzegasz, jak materiał układa się w fałdy. Podobnie astronomowie od lat patrzyli na pierścienie pyłu otaczające młode gwiazdy – domyślali się, że kryją planety, ale nie potrafili powiedzieć, jak masywne. Teraz to się zmienia. Zespół badaczy z Uniwersytetu Warwick, MIT i McMaster University opracował metodę, która pozwala odczytać masę ukrytej planety niemal wprost z obserwacji pyłowych struktur.

Jak dysk zdradza swojego mieszkańca

→ Czytaj też: Odkryto 17 cząsteczek życia wokół młodej gwiazdy. To zmienia wiedzę o początkach Ziemi

Młode gwiazdy otacza wirujący obłok gazu i pyłu – dysk protoplanetarny. To w nim rodzą się planety. Gdy masywna planeta formuje się w takim dysku, zaburza rozkład gazu. Tworzy się lokalne maksimum ciśnienia na zewnątrz jej orbity. W tym miejscu ziarna pyłu, które normalnie dryfują ku gwieździe, zwalniają i gromadzą się, tworząc widoczny pierścień. Im bardziej masywna planeta, tym silniejsze zaburzenie – a więc inaczej ukształtowany pierścień.

Przełożenie tej zasady na konkretne równania wymagało szczegółowych symulacji komputerowych. Autorzy stworzyli 18 modeli 2D, w których planeta o różnej masie oddziaływała z dyskiem przy trzech różnych wartościach tzw. współczynnika kształtu dysku. Symulacje prowadzono przez 1500 obiegów planety – wystarczająco długo, by struktury pyłowe osiągnęły stan ustalony.

Trzy cechy, które zdradzają wagę

→ Czytaj też: Odkryto imię majańskiego matematyka-astronoma. Żył 1300 lat temu

Z symulacji wyłoniły się trzy właściwości dysków protoplanetarnych, które korelują z masą planety: szerokość pierścienia, masa pyłu w nim uwięzionego oraz położenie obszaru o największym zagęszczeniu pyłu. Badacze potwierdzili liniową zależność między promieniem Hilla planety (miarą jej grawitacyjnego zasięgu) a radialnym położeniem szczytu gęstości pierścienia.

Co kluczowe – zależność ta jest niezależna od długości fali obserwacji i od rozmiaru obserwowanych ziaren pyłu. Oznacza to, że metodę można stosować do istniejących danych bez dokładnej znajomości warunków panujących w dysku. Na podstawie tej zależności autorzy wyprowadzili równanie pozwalające wyliczyć masę planety bezpośrednio z położenia szczytu pierścienia i lokalizacji przerwy w dysku – zakładając, że planeta znajduje się w centrum tej przerwy.

Szerokość pierścienia i zawarta w nim masa pyłu rosną wraz z masą planety, ale tylko do pewnego progu. Powyżej niego planeta skutecznie odcina dopływ większych ziaren z zewnętrznych obszarów dysku. Wtedy obie wielkości przestają się zmieniać, natomiast położenie szczytu nadal przesuwa się wraz z masą planety – co czyni je szczególnie użytecznym narzędziem diagnostycznym.

Test na prawdziwym układzie

Aby zweryfikować metodę, autorzy zastosowali ją do układu PDS 70 – jednego z niewielu systemów, gdzie planety zostały bezpośrednio sfotografowane wewnątrz dysku. Koncentrując się na wewnętrznym ramieniu pierścienia, zlokalizowanym w odległości około 54,5 au od gwiazdy, uzyskali masę planety PDS 70c rzędu 3,3 mas Jowisza. To wynik zgodny z niezależnymi szacunkami uzyskanymi innymi metodami.

Metodę zastosowano też do pięciu dysków z przeglądu exoALMA. Dla każdego z nich wyznaczono szacunkowe masy ukrytych planet. Jednym z ciekawszych wniosków jest obserwacja, że pierścienie pyłu tworzone przez masywne planety mogą zawierać nawet dwadzieścia mas Ziemi skondensowanego materiału skalnego – ilość wystarczającą potencjalnie do zainicjowania kolejnej rundy formowania planetezymali, a w konsekwencji nowych planet.

Co dalej?

Metoda opisana w The Astrophysical Journal otwiera obiecującą ścieżkę do charakteryzowania planet, które są zbyt słabo świecące lub zbyt głęboko ukryte w dysku, by dało się je zobaczyć bezpośrednio. Połączenie diagnostyki pyłowej z obserwacjami rozkładu ciśnienia gazu – coraz bardziej dostępnymi dzięki radioteleskopowi ALMA – może ujawnić całą populację ukrytych planet i rzucić nowe światło na procesy formowania układów planetarnych. To jak zdobycie wagi, która waży to, czego nie widać.