Planetbildningen kring dussintals stjärnor

 

Bilderna ovan visar den extraordinära mångfalden av planetbildande skivor som även kan ses i utvecklade planetsystem. "Några av skivorna visar enorma spiralarmar, förmodligen drivna genom planeternas komplicerade rörelser", beskriver Christian Ginski, lektor vid University of Galway, Irland, och huvudförfattare till en av tre artiklar som publicerats i dagarna i Astronomy & Astrophysics.

”Skivor visas som ringar och breda gap som formats under planetbildningen, medan andra skivor verkar jämna och nästan avsomnande i aktivitet", tillägger Antonio Garufi, astronom vid Arcetri Astrophysical Observatory, Italienska nationella institutet för astrofysik (INAF) och huvudförfattare till en av artiklarna.

Forskarna studerade totalt 86 stjärnor i tre stjärnbildningsområden i Vintergatan i stjärnbilderna Taurus (Oxen) och Chamaeleon I (Kameleonten), båda stjärnbilderna finns cirka 600 ljusår från jorden och utöver det i Orionnebulosan (ett gasrikt moln)  cirka 1 600 ljusår från oss där flera unga stjärnor massivare än solen har bildats och planeter nu bildas. Observationerna samlades in av ett stort internationellt forskarlag med deltagare från mer än tio länder.

Astronomerna kunde dra flera viktiga slutsatser från datamängden som samlades in. Exempelvis fann de i Orion att stjärnor i grupper om två eller fler var mindre benägna att bilda stora planetbildande skivor. Detta är ett intressant resultat då de flesta stjärnor är dubbelstjärnor. De oregelbundna skivorna i denna region antyder att massiva planeter är inbäddade i dessa protoplanetära skivor vilket kan vara orsaken till skivors skeva former.

Även om protoplanetära skivor kan vara hundratals gånger större än avståndet mellan jorden och solen gör deras stora avstånd på hundratals ljusår från oss att de framstår som nålstick på natthimlen. För att observera skivorna använde astronomerna det avancerade SPHERE-instrumentet (Spectro-Polarimetric High-contrast Exoplanet REsearch) på ESO:s VLT (very large telescope) . SPHERE:s toppmoderna adaptiva optiksystem korrigerar för jordatmosfärens störande effekter vilket ger skarpa bilder av skivorna. Därmed kunde forskarna avbilda skivor runt stjärnor med massor som inte ens var hälften av solens och som därför är för svaga för de flesta andra instrument som finns i dag.

Ytterligare data erhölls med hjälp av instrumentet X-shooter på VLT, som gjorde det möjligt att bestämma stjärnornas åldrar och massor. Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), där ESO är en partner som bidrog med data om mängden stoft som omger vissa av stjärnorna.

Bild https://www.eso.org/public/sweden/news/eso2405/  Citat ”I en serie studier har en forskargrupp kastat nytt ljus över de fascinerande och komplexa processer som sker när planeter bildas. De fantastiska bilderna, tagna med Europeiska sydobservatoriets Very Large Telescope (ESO:s VLT) i Chile, representerar en av de största undersökningarna som någonsin genomförts av planetbildande skivor. Forskningsprojektet har sammanställt observationer av mer än 80 unga stjärnor kring vilka planeter kan bildas. De ger astronomerna en enorm mängd data och unika insikter om hur planeter uppstår i olika delar av vår galax” slut citat.

Dammig kattsvansliknande formation i Beta Pictoris-systemet

 

Beta Pictoris är den näst ljusstarkaste stjärnan i stjärnbilden Målaren. Den är belägen drygt 63 ljusår från oss är 1,75 gånger massivare och 8,7 gånger ljusstarkare än vår sol. Beta Pictoris-systemet är mycket ungt endast mellan 8–20 miljoner år gammalt.

Här finns den första stoftskiva som avbildats runt en annan stjärna. Skivan består av skräp efter kollisioner mellan asteroider, kometer och planetbildningsmateria. Observationer från NASA:s rymdteleskop Hubble avslöjade nyligen en andra skräpskiva i detta solsystem. Denna är lutande i förhållande till den yttre skivan som först sågs. Nu har ett team av astronomer som använt NASA:s James Webb Space Telescope för att avbilda Beta Pictoris-systemet upptäck yttrligare en tidigare okänd struktur.

Forskarlaget leddes av Isabel Rebollido vid Astrobiology Center i Spanien och använde Webbs NIRCam (Near-Infrared Camera) och MIRI (Mid-Infrared Instrument) för att undersöka sammansättningen av Beta Pics tidigare upptäckta fragmentskivor. Resultaten överträffade deras förväntningar och avslöjade ytterligare en skarpt lutandeskiva av damm formad som en kattsvans som sträcker sig från den sydvästra delen av den sekundära skräpskivan.

”Beta Pictoris finns på avstånd lämpligt för oss att studera här finns en ljusstark stjärna  en komplex cirumstellär miljö med flerkomponentskivor, exokometer och två avbildade exoplaneter", beskriver Rebollido, huvudförfattare till studien. Även om det har gjorts tidigare observationer från marken i samma våglängdsområde som nu gjorts hade tidigare undersökningar av systemet inte den känslighet och rumsliga upplösning som från Webbteleskopet därför var det först nu som kattsvansfunktionen upptäcktes. Även med Webbteleskopet var det avgörande att se på Beta Pic i samma våglängdsområde - i det här fallet det mellaninfraröda - för att upptäcka kattensvansformationen då den bara dök upp i MIRI-data. Webbs mellaninfraröda data avslöjade även skillnader i temperatur mellan Beta Pics två skivor vilket sannolikt beror på skillnader av deras sammansättning.

"Vi förväntade oss inte att Webb skulle avslöja att det finns två olika typer av material runt Beta Pic, men MIRI visade  tydligt att materialet i den sekundära skivan och kattens svans är varmare än det i huvudskivan", beskriver Christopher Stark, medförfattare till studien vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland.

För att förklara den varmare temperaturen drog teamet slutsatsen att stoftet kan vara ett mycket poröst "organiskt eldfast material", liknande det material som finns på ytan av kometer och asteroider i vårt solsystem. Till exempel visade en preliminär analys av material som samlats in från asteroiden Bennu vid NASA:s OSIRIS-REx-uppdrag att det var mycket mörkt och kolrikt, ungefär som det som nu  MIRI upptäckte vid Beta Pic. En stor kvardröjande fråga kvarstår dock: Vad kan förklara formen som ser ut som en kattsvans, en unikt böjd form till skillnad från vad man ser i skivor runt andra stjärnor?

Rebollido och teamet modellerade olika scenarier i ett försök att efterlikna kattsvansformationen och reda ut dess ursprung. Även om ytterligare forskning och tester krävs, presenterar teamet en stark hypotes om att kattsvansen  är resultatet av en dammproduktionshändelse som inträffade för ca hundra år sedan.

Resultaten presenterades vid en presskonferens vid American Astronomical Societys 243:e möte i New Orleans, Louisiana. Observationerna gjordes som en del av programmet Guaranteed Time Observation 1411.

Bild vikipedia Olika planetformationsprocesser, inklusive av exokometer och andra planetesimaler (asteroidliknande himlakropp)  runt omkring Beta Pictoris (NASAs konstnärliga framställning).

Stjärnan HD 144432 omges av tre järnrika dammskivor

 

Med de framsteg som gjorts inom stjärn- och planetbildningsforskningen kan man nu undersöka förhållandena i miljön runt unga stjärnor och jämföra denna med det tidiga solsystemet. Med hjälp av Europeiska sydobservatoriets (ESO) Very Large Telescope Interferometer (VLTI) har ett internationellt forskarlag lett av József Varga från Konkoly-observatoriet i Budapest, Ungern, gjort detta. De observerade  skivan hos den unga stjärnan HD 144432 där planeter just nu bildas som finns ungefär 500 ljusår bort.

– När vi studerade stoftfördelningen i skivans innersta upptäckte vi för första gången en komplex struktur där stoft samlats i tre koncentriska ringar, beskriver Roy van Boekel forskare vid Max Planck-institutet för astronomi (MPIA) i Heidelberg, Tyskland medförfattare till en forskningsartikeln som publicerats i tidskriften Astronomy & Astrophysics om upptäckten.

HD 144432 är det första exemplet med ett så komplext ringsystem. Stjärnan finns i en zon rik på stoft av det material som stenplaneter som jorden bildas ur. Om man antar att ringarna indikerar närvaron av två planeter som bildas i luckorna i ringarna, uppskattar astronomerna dessa planeters massor till ungefär Jupiters storlek. Astronomerna bestämde stoftets sammansättning i den innersta skivan  dom finns från  stjärnan som motsvarar Jupiters avstånd till solen. De fann för forskare som studerar jorden bekanta mineral. Mineral av samma slag  som bildade de steniga planeterna i vårt solsystem: olika silikater (metall-kisel-syreföreningar) och andra mineraler som finns i vår jordskorpa och mantel och möjligen metalliskt järn som finns i Merkurius och jordens kärnor. Om studien bekräftas skulle ovan stjärna vara den första som har upptäckts med järn i planetbildande skivor.

– Astronomer har hittills förklarat  stoftskivors innehåll som att de har en blandning av kol- och silikatstoft, material som vi ser nästan överallt i universum. Ur ett kemiskt perspektiv är dock en järn- och silikatblandning mer trolig för de heta, inre diskregionerna.

Faktum är att den modellanalys som Varga, huvudförfattaren till den underliggande forskningsartikeln, tillämpade på insamlad data ger bättre ett mer passande resultat när man introducerar järn istället för kol som annars är det vanligaste i skivor. Dessutom kan stoftet som observeras i HD 144432-skivan vara så hett som ca 1500 grader Celsius vid innerkanten och måttliga 25 grader Celsius längre ut. Mineraler och järn smälter och kondenseras, ofta som kristaller i heta områdena nära en stjärna.

Kolkorn skulle inte klara värme av detta slag utan då bli kolmonoxid eller koldioxidgas. Kol kan dock fortfarande vara en betydande beståndsdel i de fasta partiklarna i den svalare delen av skivan vilket dock de observationer som gjorts i studien inte kunde spåra.  

 Merkurius och jorden är järnrika planeter medan jorden innehåller relativt lite kol. – Vi tror att HD-144432 skivan kan vara mycket lik vad som rådde i vårt tidiga solsystem som resulterade i massor av järn till de stenplaneter vi har idag (ex jorden), beskriver van Boekel och tillägger att  studien kan bli ytterligare ett exempel som visar att sammansättningen av vårt solsystem kan vara ganska vanlig. Förutom vårt solsystem verkar HD 144432 vara ett annat exempel på där planeter  bildas i en järnrik miljö.

Bild https://phys.org  Observation med European Southern Observatorys (ESO) Very Large Telescope Interferometer (VLTI) som hittade olika silikatföreningar och potentiellt järn, ämnen som också hittas i stora mängder på vårt solsystems steniga planeter. Kredit: Jenry

Nya fantastiskt formade skivor omkring stjärnor fotograferade från Chile

Nya bilder har kommit in från instrumentet SPHERE vid ESO:s Very Large Telescope i Chile. Bilderna visar de dammiga skivorna runt unga närliggande stjärnor i större detalj än vad som tidigare varit möjligt.

Detaljrikedomen får stjärnorna att visa upp sig i en bisarr mångfald av former, storlekar och strukturer vilka bland annat kan bero på att planeter håller på att bildas i banor runt dem.

SPHERE:s  uppgift är att hitta och studera stora exoplaneter som går i banor runt närliggande stjärnor. Instrumentet är även ett av dagens bästa till att avbilda skivorna runt unga stjärnor där planeter kanske bildas.

Att kunna studera sådana skivor är intressant för forskare med intresse för att undersöka kopplingarna mellan skivornas egenskaper och hur planeter bildas.

SPHERE har även upptäckt en kantställd skiva omkring stjärnan GSC 07396-00759 en av flera stjärnor i ett system ingående i stjärngruppen  DARTTS-S. Skivan verkar ligga längre fram i sin utveckling än den gasrika skivan vilken omsluter T-Tauri-stjärnan i samma system fastän de är åldersmässigt lika,

Denna mystiska skillnad i skivornas evolutionära tidsskalor hos två stjärnor som är lika gamla är ytterligare en anledning till varför astronomer är intresserade av att få reda på mer om dessa skivformationer och vilka egenskaper de har.

Bilden är en teckning av en T-Tauristjärna