Astronomen hebben er bijna 4 gecatalogiseerd, 000 exoplaneten in een baan rond verre sterren. Hoewel de ontdekking van deze nieuwe werelden ons veel heeft geleerd, er is nog steeds veel dat we niet weten over de geboorte van planeten en de precieze kosmische recepten die het brede scala aan planetaire lichamen voortbrengen die we al hebben ontdekt, inclusief zogenaamde hete Jupiters, enorme rotsachtige werelden, ijzige dwergplaneten, en - hopelijk binnenkort - verre analogen van de aarde.

Om deze en andere intrigerende vragen te helpen beantwoorden, heeft een team van astronomen ALMA's eerste grootschalige, hoge resolutie onderzoek van protoplanetaire schijven, de gordels van stof en gas rond jonge sterren.

Bekend als de schijfsubstructuren bij High Angular Resolution Project (DSHARP), dit "Large Program" van de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) heeft verbluffende, hoge resolutie beelden van 20 nabijgelegen protoplanetaire schijven en gaven astronomen nieuwe inzichten in de verscheidenheid aan kenmerken die ze bevatten en de snelheid waarmee planeten kunnen verschijnen.

De resultaten van dit onderzoek zullen verschijnen in een speciale uitgave van de Astrofysische journaalbrieven .

Volgens de onderzoekers is de meest overtuigende interpretatie van deze waarnemingen is dat grote planeten, waarschijnlijk vergelijkbaar in grootte en samenstelling met Neptunus of Saturnus, snel vormen, veel sneller dan de huidige theorie zou toestaan. Dergelijke planeten hebben ook de neiging zich in de buitenste regionen van hun zonnestelsel te vormen op enorme afstanden van hun gastheersterren.

Een dergelijke vroegrijpe formatie zou ook kunnen helpen verklaren hoe rotsachtig, Werelden ter grootte van de aarde kunnen evolueren en groeien, overleven hun veronderstelde zelfdestructieve adolescentie.

"Het doel van deze maandenlange observatiecampagne was om te zoeken naar structurele overeenkomsten en verschillen in protoplanetaire schijven. ALMA's opmerkelijk scherpe zicht heeft voorheen onzichtbare structuren en onverwacht complexe patronen onthuld, " zei Sean Andrews, een astronoom aan het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) en een leider van de ALMA-waarnemingscampagne, samen met Andrea Isella van Rice University, Laura Pérez van de Universiteit van Chili, en Cornelis Dullemond van de Universiteit van Heidelberg. "We zien duidelijke details rond een breed assortiment jonge sterren van verschillende massa's. De meest overtuigende interpretatie van deze zeer diverse, kleinschalige kenmerken is dat er onzichtbare planeten zijn die interactie hebben met het schijfmateriaal."

De toonaangevende modellen voor planeetvorming stellen dat planeten worden geboren door de geleidelijke ophoping van stof en gas in een protoplanetaire schijf, beginnend met korrels ijzig stof die samensmelten tot grotere en grotere rotsen, tot asteroïden, planetesimalen, en planeten ontstaan. Dit hiërarchische proces zou vele miljoenen jaren nodig hebben om zich te ontvouwen, wat suggereert dat de impact ervan op protoplanetaire schijven het meest voorkomt bij oudere, meer volwassen systemen. Steeds meer bewijs, echter, geeft aan dat dit niet altijd het geval is.

ALMA's vroege waarnemingen van jonge protoplanetaire schijven, sommige slechts ongeveer een miljoen jaar oud, onthullen verrassend goed gedefinieerde structuren, inclusief prominente ringen en gaten, die de kenmerken van planeten lijken te zijn. Astronomen waren aanvankelijk voorzichtig om deze kenmerken toe te schrijven aan de acties van planeten, omdat er andere natuurlijke processen in het spel zouden kunnen zijn.

"Het was verrassend om mogelijke handtekeningen van planeetvorming te zien in de allereerste afbeeldingen met hoge resolutie van jonge schijven. Het was belangrijk om uit te zoeken of dit anomalieën waren of dat die handtekeningen gebruikelijk waren in schijven, " zei Jane Huang, een afgestudeerde student aan CfA en een lid van het onderzoeksteam.

Omdat de eerste steekproef van schijven die astronomen konden bestuderen zo klein was, echter, het was onmogelijk om overkoepelende conclusies te trekken. Het kan zijn dat astronomen atypische systemen observeerden. Er waren meer waarnemingen op verschillende protoplanetaire schijven nodig om de meest waarschijnlijke oorzaken van de kenmerken die ze zagen vast te stellen.

De DSHARP-campagne was ontworpen om precies dat te doen door de relatief kleinschalige verspreiding van stofdeeltjes rond 20 nabijgelegen protoplanetaire schijven te bestuderen. Deze stofdeeltjes gloeien van nature in licht met een millimetergolflengte, waardoor ALMA de dichtheidsverdeling van kleine, vaste deeltjes rond jonge sterren.

Afhankelijk van de afstand van de ster tot de aarde, ALMA was in staat om kenmerken te onderscheiden die zo klein waren als een paar astronomische eenheden. (Een astronomische eenheid is de gemiddelde afstand van de aarde tot de zon - ongeveer 150 miljoen kilometer, wat een handige schaal is voor het meten van afstanden op de schaal van sterrenstelsels). Met behulp van deze observaties, de onderzoekers waren in staat om een ​​​​hele populatie van nabijgelegen protoplanetaire schijven in beeld te brengen en hun kenmerken op AU-schaal te bestuderen.

De onderzoekers ontdekten dat veel substructuren - concentrische gaten, smalle ringen - komen voor bij bijna alle schijven, terwijl grootschalige spiraalpatronen en boogachtige kenmerken in sommige gevallen ook aanwezig zijn. Ook, de schijven en gaten zijn aanwezig op een groot aantal afstanden van hun gastheersterren, van een paar AU tot meer dan 100 AU, dat is meer dan drie keer de afstand van Neptunus tot onze zon.

Deze kenmerken, die de afdruk zou kunnen zijn van grote planeten, kan verklaren hoe rotsachtige planeten ter grootte van de aarde zich kunnen vormen en groeien. Al decenia, astronomen hebben zich afgevraagd over een grote hindernis in de theorie van planeetvorming:zodra stoffige lichamen tot een bepaalde grootte groeien - ongeveer een centimeter in diameter - zou de dynamiek van een gladde protoplanetaire schijf ervoor zorgen dat ze op hun gastheerster vallen, nooit de massa krijgen die nodig is om planeten zoals Mars te vormen, Venus, en aarde.

De dichte stofringen die we nu met ALMA zien, zouden een veilige haven vormen voor rotsachtige werelden om volledig te rijpen. Hun hogere dichtheden en de concentratie van stofdeeltjes zouden verstoringen in de schijf veroorzaken, zones vormen waar planetesimalen meer tijd zouden hebben om uit te groeien tot volwaardige planeten.

"Toen ALMA zijn capaciteiten echt onthulde met zijn iconische beeld van HL Tau, we moesten ons afvragen of dat een uitbijter was, aangezien de schijf relatief massief en jong was, " merkte Pérez op. "Deze laatste waarnemingen tonen aan dat, hoewel opvallend, HL Tau is verre van ongebruikelijk en kan in feite de normale evolutie van planeten rond jonge sterren vertegenwoordigen."