I løbet af det næste årti vil flere meget kraftige teleskoper komme online. Observation af tid på disse 'scopes' vil være i høj efterspørgsel, og deres række af mål vil spænde over en lang række emner inden for astronomi, astrofysik og kosomologi.
Et af emnerne nær toppen af listen er exoplaneter.
Men hvordan vil astronomer vide, hvor de skal bruge deres dyrebare exoplanet på at observere tid?
Denne nye undersøgelse vil hjælpe.
Planeter dannes i affaldsskiver omkring unge stjerner. Men det er svært at se inde i de støvede skiver og få øje på de faktiske planeter med de teleskoper og instrumenter, vi har i øjeblikket. Nu har et hold af astronomer frigivet, hvad de kalder et 'slyngelgalleri' af billeder af disse diske, som hver viser bevis på unge planeter.
Billederne er resultatet af fire års arbejde med Gemini Planet Imager (GPI). GPI er et præcisionsinstrument monteret på det 8 meter lange Gemini South teleskop i Chile.
'Der har ikke været nogen systematisk undersøgelse af unge affaldsskiver, der er næsten så store, som ser ud med det samme instrument og bruger de samme observationsmetoder og -metoder.'
Tom Esposito, førsteforfatter, U of C, Berkeley
Resultaterne præsenteres i et nyt papir med titlen ' Debris Disk Resultater fra Gemini Planet Imager Exoplanet Survey's Polarimetric Imaging Campaign. ” Den første forfatter er Tom Esposito, en postdoc ved University of California, Berkeley. Artiklen er offentliggjort i The Astronomical Journal.
Undersøgelsen var rettet mod unge stjerner under 500 millioner år gamle. De var nærliggende stjerner inden for 150 parsecs (490 lysår) fra os. Der var 104 stjerner, inklusive 38, der tidligere blev afbildet. Forskerne var også i stand til at løse 26 affaldsskiver og 3 protoplanetære/overgangsdiske.
Seks af de 26 cirkumstellære skiver fra Gemini Planet Imager-undersøgelsen, der fremhæver mangfoldigheden af former og størrelser, disse skiver kan have, og viser de ydre rækker af stjernesystemer i deres formative år. (Billede fra International Gemini Observatory, NOIRLab, NSF, AURA og Tom Esposito, UC Berkeley. Billedbehandling af Travis Recto, University of Alaska Anchorage, Mahdi Zamani og Davide de Martin.)
Undersøgelsen er - i det mindste delvist - et forsøg på at screene mål for at observere tid med mere kraftfulde fremtidige teleskoper, hvis observationstid vil være meget efterspurgt. »Scoper som James Webb Space Telescope, the Kæmpe Magellan-teleskop , og Ekstremt stort teleskop vil komme online i de næste par år. De vil være kraftige nok til at studere exoplaneter og de systemer, der er vært for dem mere detaljeret end nuværende teleskoper. Men deres magt er ikke nødvendig for at finde disse planeter i første omgang.
'Det er ofte nemmere at opdage den støvfyldte skive end planeterne, så du opdager støvet først, og så ved du, at du skal pege dit James Webb-rumteleskop eller dit Nancy Grace romerske rumteleskop ved de systemer, ved at skære ned på antallet af stjerner, du skal gennemsøge for at finde disse planeter i første omgang,” sagde hovedforfatter Tom Esposito i en pressemeddelelse .
At se på billederne af diskene i denne undersøgelse er som at se på Cooper bælte i vores eget solsystem. Kuiperbæltet er et koldt område i det fjerne solsystem, 40 gange længere fra Solen, end Jorden er. Materialet i bæltet - sten, is og støv - var tilbage fra planetens dannelsesstadium i vores solsystems udvikling.
Kuiperbæltet blev opkaldt til ære for den hollandsk-amerikanske astronom Gerard Kuiper, der postulerede et reservoir af iskolde kroppe ud over Neptun. Det første Kuiperbæltsobjekt blev opdaget i 1992. Vi kender nu til mere end tusinde objekter der, og det anslås, at det er hjemsted for mere end 100.000 asteroider og kometer der over 100 km på tværs. Kredit: JHUAPL
I denne undersøgelse tog Gemini 26 billeder af affaldsskiver omkring stjerner. Af dem havde 25 huller i skiverne, hvilket er bevis på en ung planet, der fejer gas og støv op, mens den dannes. Nogle af dem var tidligere kendt, men syv af de 26 er nyligt identificeret. Men billederne af de 19 tidligere kendte var ikke nær så skarpe som disse nye billeder. I de fleste tilfælde er de tidligere billeder fra 'skoper, der mangler GPI'ens høje opløsning, så disse billeder viser ikke de samme huller, der indikerer tilstedeværelsen af unge, stadig-dannende planeter.
'En af de ting, vi fandt, er, at disse såkaldte diske virkelig er ringe med indre lysninger,' sagde Esposito, som også er forsker ved SETI Institute i Mountain View, Californien. 'GPI havde et klart udsyn til de indre områder tæt på stjernen, hvorimod observationer fra Hubble-rumteleskopet og ældre instrumenter fra jorden tidligere ikke kunne se tæt nok på stjernen til at se hullet omkring den.'
En af de ting, der gør Gemini Planet Imager så effektiv, er dens koronagraf. Den ærværdige Hubble har en koronograf, som blokerer lyset fra fjerne stjerner, hvilket gør det nemmere at se andre detaljer omkring stjernen. Men dens koronografi er ikke nær så effektiv og højteknologisk som GPI'erne. Ved hjælp af sin koronagraf er GPI i stand til at se inden for en astronomisk enhed (AU) af de stjerner, den er målrettet mod.
I denne undersøgelse brugte forskerne GPI til at se på stjerner, der var usædvanligt lyse i det infrarøde. Ikke på grund af selve stjernens output. Men fordi høj infrarød output indikerer tilstedeværelsen af en disk, som udsender infrarødt lys. GPI er kraftig nok til at observere nær-infrarødt (NIR) lys spredt af små støvpartikler, der ikke er større end en mikron eller en tusindedel af en millimeter.
En ring af støv omkring stjernen HR 4796 A. Dens pænt skulpturelle kanter antyder tilstedeværelsen af en stor planet, der fejer gas og støv op inde i skiven af iskolde, stenede affald, på samme måde som Neptun skulpturerer den inderste kant af vores Kuiperbælt . (Billede fra International Gemini Observatory, NOIRLab, NSF, AURA og Tom Esposito, UC Berkeley. Billedbehandling af Travis Recto, University of Alaska Anchorage, Mahdi Zamani og Davide de Martin.)
'Der har ikke været nogen systematisk undersøgelse af unge affaldsskiver, der er næsten så store, som ser ud med det samme instrument og bruger de samme observationsmetoder og metoder,' sagde Esposito. 'Vi opdagede disse 26 affaldsdiske med meget ensartet datakvalitet, hvor vi virkelig kan sammenligne observationerne, noget, der er unikt med hensyn til affaldsdiskundersøgelser.'
Den måde, hvorpå disse diske og stjerner blev udtaget i denne undersøgelse, tjener et formål i exoplanetstudier. For eksempel var syv af de nye diske i en gruppe på 13, der bevæger sig sammen gennem rummet. Alle 13 blev født i den samme region på nogenlunde samme tid, hvilket gør dem til et godt mål for at uddybe vores forståelse af exoplanetdannelse i unge solsystemer, og i forlængelse heraf, hvordan vores eget system blev dannet.
'Hvis du skruer uret for vores eget solsystem tilbage med 4,5 milliarder år, hvilken af disse diske var vi så?'
Tom esposito, hovedforfatter, University of California, Berkeley
“Det er ligesom det perfekte fiskested; vores succesrate var meget større end noget andet, vi nogensinde har gjort,” sagde Paul Kalas, en adjungeret professor i astronomi fra UC Berkeley, som er anden forfatter af papiret. Fordi alle syv er omkring stjerner, der blev født i den samme region på nogenlunde samme tid, 'er denne gruppe i sig selv et minilaboratorium, hvor vi kan sammenligne og kontrastere arkitekturen i mange planetariske planteskoler, der udvikler sig samtidigt under en række forhold, noget der vi virkelig ikke havde før,” tilføjede Esposito.
Men den sammenhængende gruppe er kun en del af historien. Alle stjerner og skiver er unge, mellem titusindvis af millioner år til et par hundrede millioner år. Det er en meget dynamisk periode for unge solsystemer, efterhånden som planeter dannes og migrerer, og når systemets overordnede arkitektur tager form.
Circumstellar skive omkring stjernen TWA 7, en af 26 skiver observeret af Gemini Planet Imager. (Billede fra International Gemini Observatory, NOIRLab, NSF, AURA og Tom Esposito, UC Berkeley. Billedbehandling af Travis Recto, University of Alaska Anchorage, Mahdi Zamani og Davide de Martin.)
Interessant nok havde en stjerne ved navn HD 156623 ikke et hul i disken. Men det er en af de yngste i gruppen. Det passer ind i vores forståelse af, hvordan solsystemer dannes. En meget ung stjerne burde ikke have nogen planeter endnu, da stjernen selv knap er dannet.
Dette er et billede af den meget unge stjerne HD 156623 og dens disk. Forskerne fandt ingen tegn på et hul i skiven, som ville signalere tilstedeværelsen af en planet, hvis den var der. PS1 og bg1 og bg2 er punktkilder og baggrundsobjekter, der ikke er en del af disken. Billedkredit: Esposito et al, 2020.
'Når vi ser på yngre cirkumstellare diske, som protoplanetariske diske, der er i en tidligere fase af evolutionen, når planeter dannes, eller før planeter er begyndt at dannes, er der meget gas og støv i de områder, hvor vi finder disse huller i de ældre affaldsskiver,” sagde Esposito. 'Noget har fjernet det materiale over tid, og en af måderne, du kan gøre det på, er med planeter.'
Et af de fascinerende aspekter af undersøgelser som dette er, hvad det kan fortælle os om vores eget hjem her i vores solsystem. Hvordan ville det have set ud, hvis det var blevet afbildet i sin vorden.
'Hvis du skruer uret for vores eget solsystem tilbage med 4,5 milliarder år, hvilken af disse diske var vi så? Var vi en smal ring, eller var vi en sløret klat?” sagde Esposito. ”Det ville være fantastisk at vide, hvordan vi så ud dengang for at forstå vores egen oprindelse. Det er det store ubesvarede spørgsmål.'
Vores solsystem er et relativt, roligt og stille sted sammenlignet med unge solsystemer. Hvordan kunne vores have set ud i sin vorden? En illustration, der viser de 8 planeter i solsystemet til skalering Kredit: NASA
Der er ingen måde, vi nogensinde vil vide, hvordan vores eget solsystem så ud i sin vorden. Men de samme processer, som dannede vores system, er på spil i hvert system. Vores er måske kun speciel på grund af vores dyrebare livbærende Jord.
Vores forståelse af unge stjerner og solsystemet, der udvikler sig omkring dem, er ved at tage form. Selv for ti år siden var vi ikke nær så vidende, som vi er nu. Når vores næste generation af teleskoper kommer online i løbet af det næste årti eller deromkring, vil vores viden vokse med stormskridt.
Og denne undersøgelse vil være en del af det hele.
