Газ раскрывает существование планет вокруг молодых звезд

Прекрасные изображения дисков, сделанные с помощью Атакамской большой [антенной] решётки миллиметрового диапазона (ALMA), показывают отчетливые зазоры и кольцевые элементы в пыли, которые могут быть вызваны молодыми планетами.

Чтобы быть более уверенными, что эти разрывы на самом деле вызваны планетами, и чтобы получить более полное представление о формировании планет, ученые изучают не только пыль, но и газ в дисках. 99% массы протопланетного диска составляют газы, из которых газ монооксида углерода (СО) наиболее яркий компонент, испускающий свет с очень характерным миллиметровым излучением, который может наблюдать ALMA.

В прошлом году две команды астрономов продемонстрировали новую технику охоты на планеты, используя этот газ. Они измерили скорость СО, вращающегося в диске вокруг молодой звезды HD 163296. Локализованные возмущения в движениях газа выявили три планетоподобные структуры.

В этом новом исследовании ведущий автор Ричард Тиг из Мичиганского университета и его команда использовали новые данные ALMA с высоким разрешением из проекта DSHARP для более детального изучения скорости газа.

«Благодаря высокой точности данных этой программы мы смогли измерить скорость газа в трех направлениях, а не в одном», - сказал Тиг. «Впервые мы измерили движение газа, вращающегося вокруг звезды, к звезде или от него и вверх или вниз в диске».

Тиг и его коллеги видели, как газ двигался от верхних слоев к середине диска в трех разных местах. «Скорее всего, это происходит из-за планеты на орбите вокруг звезды, которая отталкивает газ и пыль в сторону, открывая промежуток», - пояснил Тиг. «Газ над зазором затем падает в него, как водопад, вызывая вращательный поток газа в диске».

На сегодняшний день это лучшее доказательство формирования планет вокруг HD 163296. Но астрономы не могут со стопроцентной уверенностью сказать, что потоки газа вызваны планетами. Например, магнитное поле звезды также может вызвать помехи в газе. «Только прямое наблюдение за планетами может исключить другие варианты. Но схемы этих газовых потоков уникальны, и очень вероятно, что они вызваны именно планетами», - считает соавтор Джихан Бае из Научного института Карнеги, который проверил эту теорию с помощью компьютерного моделирования диска.

Местоположение трех предсказанных планет в этом исследовании соответствует результатам прошлого года: они расположены в 87, 140 и 237 а.е. Ближайшая планета к HD 163296 рассчитана как половина массы Юпитера, средняя планета - масса Юпитера, а самая дальняя планета в два раза больше Юпитера.

С конца 90-х годов теоретические модели предсказывают, что существуют потоки газа от поверхности к средней плоскости протопланетного диска, но наблюдается это впервые. Они не только могут использоваться для обнаружения планет-младенцев, но и формируют наше понимание того, как планеты-гиганты получают свою атмосферу.

«Планеты образуются в среднем слое диска, так называемой средней плоскости. Это холодное место, защищенное от излучения звезды», - пояснил Тиг. «Мы думаем, что разрывы, вызванные планетами, приносят более теплый газ из более химически активных внешних слоев диска, и что этот газ будет формировать атмосферу планеты».

Ученые не ожидали, что смогут увидеть это явление. «Диск вокруг HD 163296 - самый яркий и самый большой диск, который мы можем видеть с ALMA», - сказал Тиг. «Но для меня было большим сюрпризом так четко видеть потоки газа. Диски кажутся гораздо более динамичными, чем мы думали».

«Это дает нам гораздо более полную картину формирования планет, чем мы когда-либо мечтали», - сказал соавтор Тед Бергин из Мичиганского университета. «Характеризуя эти потоки, мы можем определить, как рождаются планеты, подобные Юпитеру, и охарактеризовать их химический состав при рождении. Мы могли бы использовать это для отслеживания места рождения этих планет, поскольку они могут двигаться во время формирования».