Twee onafhankelijke teams van astronomen hebben overtuigend bewijs gevonden dat drie jonge planeten in een baan rond een jonge ster draaien die bekend staat als HD 163296. Met behulp van een nieuwe strategie voor het vinden van planeten, de astronomen identificeerden drie discrete verstoringen in de met gas gevulde schijf van een jonge ster:het sterkste bewijs tot nu toe dat nieuw gevormde planeten daar in een baan om de aarde zijn.

In de afgelopen jaren, de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) heeft ons begrip van protoplanetaire schijven getransformeerd - de met gas en stof gevulde planeetfabrieken die jonge sterren omringen. De ringen en gaten in deze schijven leveren intrigerend indirect bewijs voor de aanwezigheid van planeten. andere verschijnselen, echter, zou deze prikkelende eigenschappen kunnen verklaren.

Met behulp van een nieuwe planeetjachttechniek die ongebruikelijke patronen in de gasstroom binnen een protoplanetaire schijf identificeert, twee teams van astronomen hebben de verschillende, veelbetekenende kenmerken van nieuw gevormde planeten die rond een jonge ster in onze melkweg draaien. Deze resultaten worden gepresenteerd in een paar papers die verschijnen in de Astrofysische journaalbrieven .

"We hebben gekeken naar de gelokaliseerde, kleinschalige beweging van gas in de protoplanetaire schijf van een ster. Deze geheel nieuwe benadering zou enkele van de jongste planeten in onze melkweg kunnen blootleggen, allemaal dankzij de hoge resolutie beelden van ALMA, " zei Richard Teague, een astronoom aan de Universiteit van Michigan en hoofdauteur van een van de artikelen.

Om hun respectievelijke ontdekkingen te doen, elk team analyseerde de gegevens van verschillende ALMA-waarnemingen van de jonge ster HD 163296. HD 163296 is ongeveer 4 miljoen jaar oud en bevindt zich op ongeveer 330 lichtjaar van de aarde in de richting van het sterrenbeeld Boogschutter.

In plaats van zich te concentreren op het stof in de schijf, die duidelijk werd afgebeeld in eerdere ALMA-waarnemingen, de astronomen bestudeerden in plaats daarvan de distributie en beweging van koolmonoxide (CO) -gas door de schijf. CO2-moleculen zenden van nature een zeer kenmerkend licht van millimetergolflengte uit dat ALMA kan waarnemen. Subtiele veranderingen in de golflengte van dit licht als gevolg van het Doppler-effect geven een kijkje in de kinematica - of beweging - van het gas in de schijf.

Als er geen planeten waren, gas zou rond een ster bewegen in een heel eenvoudige, voorspelbaar patroon dat bekend staat als Kepleriaanse rotatie.

"Er zou een relatief groot object voor nodig zijn, als een planeet, om gelokaliseerde storingen te veroorzaken in deze anders geordende beweging, " zei Christophe Pinte van de Monash University in Australië en hoofdauteur van een van de twee artikelen. "Onze nieuwe techniek past dit principe toe om ons te helpen begrijpen hoe planetenstelsels ontstaan."

Het team onder leiding van Teague identificeerde twee onderscheidende planeetachtige patronen in de schijf, één op ongeveer 80 astronomische eenheden (AU) van de ster en de andere op 140 AU. (Een astronomische eenheid is de gemiddelde afstand van de aarde tot de zon, of ongeveer 150 miljoen kilometer.) Het andere team, onder leiding van Pinte, identificeerde de derde op ongeveer 260 AU van de ster. De astronomen berekenen dat alle drie de planeten qua massa vergelijkbaar zijn met Jupiter.

De twee teams gebruikten variaties op dezelfde techniek, die naar anomalieën in de gasstroom keek - zoals te zien in de verschuivende golflengten van de CO-emissie - die erop zouden wijzen dat het in wisselwerking stond met een enorm object.

Teague en zijn team maten variaties in de snelheid van het gas. Dit onthulde de impact van meerdere planeten op de gasbeweging dichter bij de ster.

Pinte en zijn team hebben de werkelijke snelheid van het gas directer gemeten, dat is beter voor het bestuderen van het buitenste deel van de schijf en kan de locatie van een potentiële planeet nauwkeuriger bepalen.

Protoplaneten detecteren

"Hoewel er de afgelopen decennia duizenden exoplaneten zijn ontdekt, het detecteren van protoplaneten is de grens van de wetenschap, " zei Pinte. De technieken die momenteel worden gebruikt voor het vinden van exoplaneten in volledig gevormde planetaire systemen - zoals het meten van de wiebeling van een ster of hoe een transiterende planeet het sterlicht dimt - lenen zich niet voor het detecteren van protoplaneten.

ALMA's verbluffende beelden van HD 163296 en andere soortgelijke systemen hebben intrigerende patronen van concentrische ringen en gaten in protoplanetaire schijven onthuld. Deze gaten kunnen een bewijs zijn dat protoplaneten het stof en gas wegploegen van hun banen, een deel ervan in hun eigen sferen op te nemen. Een eerdere studie van de schijf van deze ster laat zien dat de stof- en gasspleten elkaar overlappen, wat suggereert dat zich daar ten minste twee planeten hebben gevormd.

Deze eerste waarnemingen, echter, leverde slechts indirect bewijs en kon niet worden gebruikt om de massa's van de planeten nauwkeurig te schatten, merkte Teague op. "Omdat andere mechanismen ook ringvormige gaten in een protoplanetaire schijf kunnen produceren, het is onmogelijk om met zekerheid te zeggen dat planeten er zijn door alleen naar de algemene structuur van de schijf te kijken, " hij zei.

Laatste innovatie

De sleutel tot een meer sluitende detectie, let op de astronomen, ligt in het plagen van de fijne schaalsnelheidskenmerken van het koolmonoxidegas.

"Hoewel stof een belangrijke rol speelt bij de vorming van planeten en onschatbare informatie oplevert, gas is goed voor 99 procent van de massa van een protoplanetaire schijven, " zei coauteur Jaehan Bae van het Carnegie Institute for Science. "Het is daarom cruciaal om de kinematica van het gas te bestuderen."

Licht dat een gas uitzendt vanaf een protoplanetaire schijf verandert van golflengte afhankelijk van de relatieve beweging van het gas ten opzichte van de aarde vanwege het Doppler-effect. "Dit is analoog aan de Doppler-techniek die wordt gebruikt voor het vinden van volledig gevormde planeten, " zei co-auteur Dan Foreman-Mackey van het Flatiron Institute. "Hoewel in plaats van te kijken naar de veranderingen in golflengte van het wiebelen van de ster, we duiken diep in de schijf om te zien hoe de kleine veranderingen plaatsvinden."

Dankzij de fantastische resolutie van ALMA konden de onderzoekers de snelheidspatronen van koolmonoxide over de hele schijf meten.

"De precisie is verbijsterend, " zei co-auteur Til Birnstiel van het Universitair Observatorium van München. In een systeem waar gas ronddraait met ongeveer 5 kilometer per seconde, ALMA detecteerde snelheidsveranderingen van slechts enkele meters per seconde. "Hierdoor kunnen we zeer kleine afwijkingen van de verwachte normale rotatie in een schijf vinden, " zei Teague. Planeten veranderen de dichtheid van het gas in de buurt van hun banen, die de druk van het gas verandert, het induceren van deze corresponderende veranderingen in snelheid.

"We hebben de waarnemingen vergeleken met computermodellen om aan te tonen dat de waargenomen stromen prachtig passen bij voorspellingen voor het stroompatroon rond een pasgeboren planeet die een paar keer de massa van Jupiter is, " zei co-auteur Daniel Price van de Monash University.

Met deze nieuwe techniek kunnen astronomen de protoplanetaire massa's nauwkeuriger schatten en is het minder waarschijnlijk dat ze valse positieven produceren. "We brengen ALMA nu op de voorgrond in het domein van planeetdetectie, " zei co-auteur Ted Bergin van de Universiteit van Michigan.

"Vaak in de wetenschap, ideeën blijken niet te werken of aannames blijken niet te kloppen. Dit is een van de gevallen waarin de resultaten veel opwindender zijn dan ik me had voorgesteld, ' zei Birnstiel.

"Deze studies zullen ons ook helpen te begrijpen hoe planeten zoals die in ons zonnestelsel werden geboren, " zei co-auteur Francois Menard van de Universiteit van Grenoble in Frankrijk.

Beide teams zullen deze methode blijven verfijnen en toepassen op andere schijven, waar ze hopen beter te begrijpen hoe atmosferen worden gevormd en welke elementen en moleculen bij de geboorte aan een planeet worden afgeleverd.

Dit onderzoek werd gepresenteerd in twee artikelen die in dezelfde editie van de Astrofysische journaalbrieven . De eerste is getiteld "Kinematisch bewijs voor een ingebedde protoplaneet in een circumstellaire schijf", door C. Pinte et al. en de tweede "A Kinematic Detection of Two Unseen Jupiter Mass Embedded Protoplanets", door R. Teague et al.