Bild ALMA telekopets bilder av de 11 kompakta planetbildande skivorna som observerats i Lupus-stjärnbildningsområde som finns i stjärnbilden Vargen. Med hjälp av den högsta vinkelupplösningen som finns tillgänglig med ALMA teleskopet i Chile och en våglängd av cirka 0,9 millimeter avslöjade astronomer tidigare dolda strukturer i flera av de små skivorna runt stjärnor där planeter bildas. Den nedre högra panelen visar banorna för jorden, Mars, Jupiter och Saturnus samt asteroidbältet för jämförande skala. Jämförelsen illustrerar hur dessa observationer av planetbildning på avstånd jämförbara med de inom vårt eget solsystem. Varje vit skala står för två astronomiska enheter; en astronomisk enhet är det genomsnittliga avståndet mellan jorden och solen. Källa: P. Curone et al. – ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)
Med hjälp av ALMAs exceptionellt skarpa syn har astronomer upptäckt ringar, glipor och håligheter i extremt kompakta skivor runt unga stjärnor. Observationerna visar att planetbildningsstrukturer sträcker sig in i områden jämförbara i storlek med det inre av solsystemet vilket tyder på att många små skivor kan ha sett släta ut helt enkelt för att deras detaljer är för små för att lösas upp i teleskopet.
Några av de mest slående bilderna från Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) visar unga stjärnor omgivna av breda gas- och dammskivor uppdelade i svåröverblickade ringar och glipor. Dessa strukturer kan innehålla fast material och markera platser där planeter bildas.
Astronomer har mestadels sett dessa spektakulära strukturer i stora, ljusa skivor. Mycket mindre skivor har ofta sett släta och utan kännetecken av strukturerut vilket väcker frågan om de utvecklats olika eller om deras strukturer helt enkelt varit för små för att se.
Ett team lett av Pietro Curone från CATA (Center for Astrophysics and Associated Technologies) och Universidad de Chile, tillsammans med Gijs Mulders från Pontificia Universidad Católica de Chile, Nienke van der Marel vid Leidenobservatoriet och Laura Pérez vid Universidad de Chile, har nu lyckats få en mycket närmare titt.
Med hjälp av ALMA i dess mest utsträckta antennkonfiguration observerade astronomerna 11 extremt kompakta protoplanetära skivor i Lupus-stjärnbildningsområde. Observationerna, gjorda i ALMA-band 7 vid en våglängd på cirka 0,9 millimeter, nådde en vinkelupplösning på ungefär 0,02 bågsekunder. Vid Lupus. Ett avstånd som motsvarar skalor på ungefär två astronomiska enheter, eller dubbelt så långt som genomsnittet mellan jorden och solen. Detta är den högsta vinkelupplösningen som för närvarande finns tillgänglig med ALMA vid denna våglängd.
Vid den upplösningen började flera skivor avslöja dolda detaljer. Teamet upptäckte tydliga understrukturer inom 10 astronomiska enheter av centralstjärnan i fyra av de 11 skivorna och fann indikationer på liknande egenskaper i ytterligare tre av dem. I ett system, Sz 112, upplöste ALMA en central hålighet i skivan som sträckte sig till endast 1,6 astronomiska enheter från stjärnan.
"Under lång tid såg de minsta skivorna mycket enklare ut än de stora, spektakulära skivor som ALMA gjorde berömda. Det vi finner är att åtminstone en del av den skillnaden var en illusion orsakad av upplösning," förklarar Curone. "När vi zoomar in tillräckligt långt börjar ringar, glipor och håligheter uppstå, även i dessa små system."
"Den centrala frågan för oss var om små skivor verkligen saknar struktur, eller om deras egenskaper helt enkelt låg utanför vår upplösningsgräns," förklarar medförfattaren Mulders. "För att svara på det jämförde vi de nya observationerna av kompaktdiskar med tidigare ALMA-studier av planetbildande skivor."
Jämförelsen visade ett starkt beroende av hur väl en skiva hade upplösts i teleskopet. Bland skivor som observerats med tillräcklig upplösning för att pålitligt avslöja struktur, upptäcktes understrukturer i cirka 44 % av extremt kompakta skivor med radier mellan 3 och 10 astronomiska enheter och i cirka 55 % av skivor mellan 10 och 30 astronomiska enheter. För skivor större än 30 astronomiska enheter stiger upptäcktsgraden över 90%.
Resultatet tyder på att den tidigare rapporterade bristen på ringar och glipor i små skivor åtminstone delvis drevs av otillräcklig vinkelupplösning snarare än av frånvaro.
Strukturerna är viktiga eftersom damm i en protoplanetär skiva inte bara stannar kvar där den blev till. Fasta partiklar tenderar att förlora rörelsemängdsmoment och driva inåt mot stjärnan. Utan någon mekanism för att bromsa den migrationen skulle millimeterstora korn kunna försvinna från den yttre skivan mycket snabbare än skivans bestående tid.
Ringar och glipor kan signalera förändringar i gastrycket vilket fångar in partiklar. Genom att bromsa eller stoppa inåtdrivande drift kan dessa tryckfällor bevara koncentrationer av fast material och skapa gynnsamma platser för planeters tillväxt.
"Våra nya ALMA-observationer tyder på att sådana fällor bara kan existera inom några få astronomiska enheter från unga stjärnor, även i extremt kompakta skivor," beskriver medförfattaren till studien van der Marel.
"Om planeter är ansvariga för några av dessa luckor kan vi se signaturer från relativt lågmassaplaneter medan de fortfarande bildas, på omloppsavstånd som tidigare varit mycket svåra att nå," tillägger Curone.
Teamet påtalar att ringar, glipor och håligheter i sig inte är direkta upptäckter av planeter. Flera fysiska mekanismer kan skapa struktur i protoplanetära skivor och de nuvarande observationerna utesluter inte helt icke-planetära förklaringar. Författarna finner att ett planetärt ursprung är förenligt med de strukturer som upptäckts i flera skivor men ytterligare observationer behövs för att avgöra vad som kan orsaka dem.
Observationerna avslöjade också en annan överraskning. Två av de till synes kompakta systemen, Sz 73 och Sz 130, har svaga ringar som sträcker sig långt bortom deras ljusa centrala skivor. Fyra ytterligare system visar preliminära tecken på liknande yttre utsläpp. Detta väcker möjligheten att vissa skivor som klassificeras som mycket små kan ha mer utsträckt material som har förblivit dolt eftersom det är svagt och därmed svårt att se.
Tillsammans pekar resultaten mot en mer kontinuerlig bild av protoplanetära skivor. Stora och kompakta skivor kan dela många av samma grundläggande strukturer och fysiska processer.
Genom att lösa upp egenskaper som bara är några få astronomiska enheter tvärs över börjar ALMA överbrygga gapet mellan observationer av planetbildande skivor och arkitekturen hos färdiga planetsystem. Framtida högupplösta observationer av fler kompakta skivor, vid olika våglängder och med spårämnen av både damm och gas kommer att hjälpa till att avgöra hur vanliga dessa dolda strukturer är och om de verkligen markerar bildningsplatserna för de planeter som så småningom kommer att växa fram i dem.
Denna forskning finns i "Probing Planet Formation within 10 au: Dust Substructures in Extremely Compact Protoplanetary Disks2" av P. Curone et al. i Astrophysical Journal Letters.
