In een studie die vandaag in de Astrofysisch tijdschrift , een team van onderzoekers onder leiding van INAF heeft onderzocht of de afwijkende kenmerken in de stof- en gasverdeling van de schijf van HD 163296 die door ALMA-waarnemingen zijn onthuld, zouden kunnen voortkomen uit de interactie van de reuzenplaneten met planetesimalen, een onderdeel van de schijf dat voorheen niet werd vermeld.

De uit gas en stof bestaande circumstellaire schijven die jonge sterren omringen, vormen de omgeving waarin planeten worden geboren. Hun stof levert het bouwmateriaal waaruit planeten hun groei beginnen en, als gevolg van zijn opname in planetaire lichamen, de overvloed zal naar verwachting in de loop van de tijd afnemen. Sinds de eerste afbeeldingen van de heldere concentrische ringen van de circumstellaire schijf rond HL Tau, ALMA heeft onze kijk op circumstellaire schijven radicaal veranderd door de wijdverbreide aanwezigheid van een aantal kleinschalige structuren (gaten, ringen en spiraalarmen) in hun gas en stof, de meeste van hen geloofden dat ze verband hielden met de aanwezigheid van jonge planeten en voortkwamen uit het samenspel van hun zwaartekracht met hun omgeving.

Een van de best bestudeerde schijven die door ALMA is waargenomen, is die rond HD 163296, een 5 Myr-oude ster ongeveer tweemaal de massa van de zon. De schijf van HD 163296 is zowel enorm (iets minder dan een tiende van de massa van de zon) als breed (ongeveer 500 AU, tweemaal de buitenste grens van de Kuipergordel in het zonnestelsel) en er is voorgesteld dat het de thuisbasis is van ten minste drie planeten met een massa tussen tweemaal die van Uranus en die van Jupiter. ALMA's meest recente waarnemingen maakten het mogelijk om de structuur van de schijf van HD 163296 ruimtelijk en qua compositie te karakteriseren tot een niveau dat voorheen niet kon worden verwacht en toonden aan hoe stof nog steeds vrij overvloedig aanwezig is (meer dan 300 keer de massa van de aarde) in deze schijf, ondanks zijn leeftijd en heeft geproduceerd ten minste drie reuzenplaneten. Dezelfde waarnemingen onthulden ook enkele vreemde gedragingen van de ruimtelijke verdeling van het stof die niet gemakkelijk konden worden verklaard alleen als het resultaat van de wisselwerking met het gas en de nieuw gevormde reuzenplaneten.

Verwacht wordt dat stof vanuit de buitenste regionen van de schijf naar binnen migreert vanwege de koppeling en wrijving met het gas, maar er wordt ook verwacht dat het in zijn migratie wordt gestopt door massieve planeten. Als gevolg van deze instroom, stof zou na verloop van tijd moeten verdwijnen uit het gebied onmiddellijk binnen de binnenste planeet van HD 163296. Tegelijkertijd, stof dat uit de buitenste regionen van de schijf komt, zou zich buiten de banen van de tweede en derde planeet moeten ophopen. ALMA's waarnemingen onthulden daarentegen dat de gebieden binnen de eerste planeet en tussen de eerste en de tweede planeet enkele van de hoogste stofconcentraties van de hele schijf hebben. In een studie die vandaag verschijnt op de Astrofysisch tijdschrift , een team van onderzoekers onderzocht of deze afwijkende kenmerken zouden kunnen voortkomen uit de interactie van de reuzenplaneten met een onderdeel van de schijf dat voorheen niet werd verklaard:de planetesimalen.

"Uit de studie van het zonnestelsel weten we dat volwassen circumstellaire schijven zoals HD 163296 niet alleen uit gas en stof bestaan, maar bevatten ook een onzichtbare populatie van kleine planetaire objecten die lijken op onze asteroïden en kometen", legt Diego Turrini uit, hoofdauteur van de studie en onderzoeker aan het Institute for Space Astrophysics and Planetary Science (IAPS) van het Italiaanse National Institute of Astrophysics (INAF). "We weten ook dat het verschijnen van reuzenplaneten deze planetesimalen beïnvloedt door in hun baanevolutie een korte maar intense piek van dynamische excitatie te veroorzaken die, hoewel kort vanuit het oogpunt van de lange levensduur van een planetair systeem, kan een duur hebben die vergelijkbaar is met de levensduur van circumstellaire schijven, ' zegt Turrini.

Het team vroeg zich af of deze interacties tussen de jonge reuzenplaneten van de HD 163296 en de onzichtbare planetesimalen de waargenomen afwijkingen in de stofverdeling zouden kunnen veroorzaken. De simulaties die ze uitvoerden lieten zien hoe, tijdens de groei van de drie reuzenplaneten, een steeds groter deel van de omringende populatie planetesimalen wordt geïnjecteerd in zeer excentrische en zeer hellende banen, vergelijkbaar met die van de kometen in het zonnestelsel. "Het belangrijkste resultaat van deze dynamische excitatie is een hoger aantal gewelddadige botsingen tussen de planetesimalen, " legt Francesco Marzari uit, professor aan de Universiteit van Padova en co-auteur van de studie.

Toen ze de uitkomst van de dynamische simulaties analyseerden via een botsingsmodel, het team ontdekte dat de botsingen tussen planetesimalen vrij zacht blijven totdat de reuzenplaneten hun uiteindelijke massa naderen, maar dan groeien ze snel honderdvoudig in geweld en beginnen ze de planetesimalen neer te halen. "Deze gewelddadige botsingen vullen de stofpopulatie in de schijf aan, " zegt Marzari "Het nieuwe stof dat door dit proces wordt geproduceerd, echter, heeft een andere orbitale verdeling dan de oorspronkelijke en is voornamelijk geconcentreerd op twee plaatsen:het orbitale gebied binnen de eerste reuzenplaneet en de ring tussen de eerste en de tweede reuzenplaneet." Dezelfde twee gebieden waar ALMA's waarnemingen de grootste discrepanties aan het licht brachten met wat theoretisch werd verwacht.

Het team ontdekte dat de dynamische excitatie veroorzaakt door het verschijnen van de drie reuzenplaneten tot op heden nog steeds zou moeten werken op de planetesimalen die zijn ingebed in de schijf van HD 163296. De auteurs ontdekten ook dat de resulterende aanhoudende botsingsproductie van stof in staat is om tientallen aardmassa's stof in die twee orbitale gebieden te injecteren, de waarnemingen van ALMA ook vanuit een kwantitatief oogpunt verklaren. "Tot nu toe was het bestuderen van dit soort processen in circumstellaire schijven alleen mogelijk door middel van simulaties, "zegt Turrini. "Dankzij ALMA kunnen we het nu bestuderen zoals het gebeurt en veel leren over de wisselwerking tussen planetaire vorming en de omgeving."

"De hoge snelheid waarmee ALMA nieuwe en meer gedetailleerde gegevens over HD 163296 levert, stelde ons in staat ons onderzoek uit te breiden buiten het oorspronkelijke bereik, " legt Danai Polychroni uit, co-auteur van de studie en destijds professor aan de Universidad de Atacama en adjunct-onderzoeker bij INAF-IAPS. "We hebben gemerkt dat veel planetesimalen opgewonden zijn voor supersonische snelheden met betrekking tot het omringende gas van de schijf en schokgolven kunnen creëren die zowel planetesimalen als gas kunnen verwarmen. Hoewel we dit proces nog niet in detail konden modelleren, recente waarnemingen rapporteerden de onverwachte aanwezigheid van CO-gas in gebieden die worden gekenmerkt door temperaturen waar het vast bevroren zou moeten zijn en van mogelijke anomalieën in de thermische structuur van de schijf. Beide bevindingen kunnen in principe, worden verklaard dankzij de aanwezigheid van deze supersonische planetesimalen en de schokgolven die ze creëren."

"Deze studie is gestart als een pathfinder-project om te onderzoeken of de dynamische excitatie veroorzaakt door nieuw gevormde reuzenplaneten daadwerkelijk waarneembare effecten kan produceren. we hebben net de oppervlakte van dit proces en de implicaties ervan bekrast, " zegt Leonardo Testi, tevens co-auteur van de studie en hoofd van het ALMA Support Centre van de European Southern Observatory en INAF-onderzoeker met verlof. "Hoe dan ook, het fysieke recept is vrij eenvoudig:massieve planeten vormen zich in een schijf van planetesimalen. Gezien de wijdverbreide kenmerken van mogelijke jonge reuzenplaneten die we met ALMA ontdekken en de langere duur van de dynamische effecten die door hun verschijning worden veroorzaakt, we kijken misschien naar een proces dat vrij veel voorkomt bij circumstellaire schijven."

"De context van het werk onder leiding van Diego Turrini is een van de pijlers van de GENESIS-synergie, " legt Claudio Codella (INAF-Osservatorio Astrofisico di Arcetri) uit, Hoofdonderzoeker van het GENESIS-SKA-project, gefinancierd door INAF. "GENESIS-SKA (www.genesis.inaf.it) is een nationaal project waar meer dan 60 onderzoekers van 8 INAF-instituten nauw samenwerken met het algemene doel om de omstandigheden te onderzoeken die gunstig zijn voor de opkomst van planetaire systemen vergelijkbaar met ons zonnestelsel ."

"De resultaten van het huidige project, " voegt Codella toe, "zal ook van extreem belang zijn voor de studie van de chemische samenstelling van het gas in de regio's waar planeten zullen worden gevormd, en, mogelijk, van hun atmosfeer."