Een team van wetenschappers dat de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) gebruikt om de jonge ster Elias 2-27 te bestuderen, heeft bevestigd dat zwaartekrachtinstabiliteiten een sleutelrol spelen bij de vorming van planeten. en voor het eerst rechtstreeks de massa van protoplanetaire schijven hebben gemeten met behulp van gassnelheidsgegevens, mogelijk een van de mysteries van planeetvorming ontsluiten. De resultaten van het onderzoek zijn vandaag gepubliceerd in twee papers in The Astrofysisch tijdschrift .

Protoplanetaire schijven - planeetvormende schijven gemaakt van gas en stof die nieuw gevormde jonge sterren omringen - staan ​​bij wetenschappers bekend als de geboorteplaats van planeten. Het exacte proces van planeetvorming, echter, is een mysterie gebleven. Het nieuwe onderzoek, geleid door Teresa Paneque-Carreño - een recent afgestudeerde van de Universidad de Chile en Ph.D. student aan de Universiteit Leiden en de European Southern Observatory, en de hoofdauteur van de eerste van de twee artikelen - richt zich op het ontrafelen van het mysterie van planeetvorming.

Tijdens observaties, wetenschappers bevestigden dat het Elias 2-27-sterrenstelsel - een jonge ster op minder dan 400 lichtjaar afstand van de aarde in het sterrenbeeld Ophiuchus - bewijs vertoonde van zwaartekrachtinstabiliteiten die optreden wanneer planeetvormende schijven een groot deel van de stellaire sterren van het systeem dragen massa. "Hoe planeten precies ontstaan, is een van de belangrijkste vragen in ons vakgebied. er zijn enkele sleutelmechanismen waarvan we denken dat ze het proces van planeetvorming kunnen versnellen, " zei Paneque-Carreño. "We hebben direct bewijs gevonden voor zwaartekrachtinstabiliteiten in Elias 2-27, wat erg spannend is omdat dit de eerste keer is dat we kinematisch en multi-golflengte bewijs kunnen tonen dat een systeem zwaartekracht instabiel is. Elias 2-27 is het eerste systeem dat alle vakjes aanvinkt."

De unieke eigenschappen van Elias 2-27 maken hem al meer dan een half decennium populair bij ALMA-wetenschappers. in 2016, een team van wetenschappers die ALMA gebruikten, ontdekte een rad van stof dat rond de jonge ster wervelde. Men dacht dat de spiralen het resultaat waren van dichtheidsgolven, algemeen bekend om de herkenbare armen van spiraalstelsels - zoals het Melkwegstelsel - maar in die tijd was nog nooit eerder gezien rond individuele sterren.

"We ontdekten in 2016 dat de Elias 2-27-schijf een andere structuur had dan andere reeds bestudeerde systemen, iets dat nog niet eerder in een protoplanetaire schijf is waargenomen:twee grootschalige spiraalarmen. Zwaartekrachtinstabiliteiten waren een sterke mogelijkheid, maar de oorsprong van deze structuren bleef een mysterie en we hadden verdere observaties nodig, " zei Laura Perez, Universitair docent aan de Universidad de Chile en hoofdonderzoeker van het onderzoek uit 2016. Samen met medewerkers, ze stelde verdere waarnemingen voor in meerdere ALMA-banden die werden geanalyseerd met Paneque-Carreño als onderdeel van haar M.Sc. scriptie aan de Universidad de Chile.

Naast het bevestigen van zwaartekrachtinstabiliteiten, wetenschappers vonden verstoringen - of verstoringen - in het sterrenstelsel die de theoretische verwachtingen overtroffen. "Er kan nog steeds nieuw materiaal van de omringende moleculaire wolk op de schijf vallen, wat alles chaotischer maakt, " zei Paneque-Carreño, eraan toevoegend dat deze chaos heeft bijgedragen tot interessante fenomenen die nog nooit eerder zijn waargenomen, en waarvoor wetenschappers geen duidelijke verklaring hebben. "Het Elias 2-27-sterrenstelsel is zeer asymmetrisch in de gasstructuur. Dit was volkomen onverwacht, en het is de eerste keer dat we zo'n verticale asymmetrie hebben waargenomen in een protoplanetaire schijf."

Cassandra-zaal, Universitair docent Computational Astrophysics aan de Universiteit van Georgia, en een co-auteur van het onderzoek, voegde eraan toe dat de bevestiging van zowel verticale asymmetrie als snelheidsverstoringen - de eerste grootschalige verstoringen die verband houden met de spiraalstructuur in een protoplanetaire schijf - belangrijke implicaties zou kunnen hebben voor de theorie van planeetvorming. "Dit kan een 'rokend geweer' zijn van zwaartekrachtinstabiliteit, die enkele van de vroegste stadia van planeetvorming kan versnellen. We voorspelden deze handtekening voor het eerst in 2020, en vanuit een computationeel astrofysisch oogpunt, het is spannend om gelijk te hebben."

Paneque-Carreño voegde eraan toe dat hoewel het nieuwe onderzoek enkele theorieën heeft bevestigd, het heeft ook nieuwe vragen opgeroepen. "Hoewel zwaartekrachtinstabiliteiten nu kunnen worden bevestigd om de spiraalstructuren in het stofcontinuüm rond de ster te verklaren, er is ook een innerlijke kloof, of ontbrekend materiaal op de schijf, waarvoor we geen duidelijke verklaring hebben."

Een van de belemmeringen voor het begrijpen van planeetvorming was het gebrek aan directe meting van de massa van planeetvormende schijven, een probleem dat in het nieuwe onderzoek wordt aangepakt. De hoge gevoeligheid van ALMA Band 6, gecombineerd met Bands 3 en 7, stelde het team in staat om de dynamische processen nauwkeuriger te bestuderen, dichtheid, en zelfs de massa van de schijf. "Eerdere metingen van de massa van protoplanetaire schijven waren indirect en alleen gebaseerd op stof of zeldzame isotopologen. Met deze nieuwe studie, we zijn nu gevoelig voor de hele massa van de schijf, " zei Benedetta Veronesi - een afgestudeerde student aan de Universiteit van Milaan en postdoctoraal onderzoeker aan de École normale supérieure de Lyon, en de hoofdauteur van het tweede artikel. "Deze bevinding legt de basis voor de ontwikkeling van een methode om schijfmassa te meten waarmee we een van de grootste en meest dringende barrières op het gebied van planeetvorming kunnen doorbreken. Als we weten hoeveel massa aanwezig is in planeetvormende schijven, kunnen we ons om de hoeveelheid materiaal te bepalen die beschikbaar is voor de vorming van planetenstelsels, en om het proces waardoor ze vormen beter te begrijpen."

Hoewel het team een ​​aantal belangrijke vragen heeft beantwoord over de rol van zwaartekrachtinstabiliteit en schijfmassa bij planeetvorming, het werk is nog niet gedaan. "Het bestuderen van de vorming van planeten is moeilijk omdat het miljoenen jaren duurt om planeten te vormen. Dit is een zeer korte tijdschaal voor sterren, die duizenden miljoenen jaren leven, maar een heel lang proces voor ons, " zei Paneque-Carreño. "Wat we kunnen doen is jonge sterren observeren, met schijven van gas en stof om zich heen, en probeer uit te leggen waarom deze schijven van materiaal eruitzien zoals ze eruit zien. Het is alsof je naar een plaats delict kijkt en probeert te raden wat er is gebeurd. Onze observatieanalyse in combinatie met toekomstige diepgaande analyse van Elias 2-27 zal ons in staat stellen om precies te karakteriseren hoe zwaartekrachtinstabiliteiten werken in planeetvormende schijven, en meer inzicht krijgen in hoe planeten worden gevormd."