Planetbildning i universums första tid.

 

Bild https://webbtelescope.org/ Protoplanetära skivor i NGC 346 (NIRCam-bild)

Känsligheten och upplösningen av Webbteleskopet har nu löst ett mysterium som är mer än två decennier gammalt. År 2003 upptäckte Hubbleteleskopet en massiv planet runt en uråldrig stjärna. Detta förbryllade astronomerna som ansåg att sådana stjärnor i det tidiga universum saknade många av de tyngre grundämnen som ses nödvändiga för att bygga upp planeter. Nuvarande modeller förutspår att skivorna runt den här typen av stjärnor har kort livslängd, så kort att planeter inte kan bli stora eller kanske ens bildas. Men fyndet visar att det var fel slutledning

Astronomerna vände sig  till ett närliggande område av det unga universum – det stjärnbildande området NGC 346. Där upptäckte Hubbleteleskopet tecken på att planetbildande skivor existerade runt stjärnor som var 20 till 30 miljoner år gamla mycket äldre än vad teorierna förutspådde att sådana skivor kunde bestå. 

Hubble-fynden var spännande, men utan ett sätt att få fram spektra kunde forskarna inte vara säkra på att de bevittnade en  ackretionkiva. Nu har forskare med hjälp av Webb bekräftat att det finns ackretionskivor i NGC 346 där planetbildning sker och att dessa skivor är långlivade. Upptäckten bekräftar Hubble-resultatet och det får forskare att ompröva nuvarande modeller för planetbildning.

Studien om fyndet har rubriken Protoplanetary Disks around Sun-like Stars Appear to Live Longer When the Metallicity is Low* Författare är Guido De Marchi, Giovanna Giardino, Katia Biazzo, Nino Panagia, Elena Sabbi, Tracy L. Beck, Massimo Robberto, Peter Zeidler, Olivia C. Jones, Margaret MeixnerShow full author list Published 2024 December 16 • © 2024. The Author(s). Published by the American Astronomical Society.

The Astrophysical Journal, Volume 977, Number 2

Citation Guido De Marchi et al 2024 ApJ 977 214

DOI 10.3847/1538-4357/ad7a63 

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.

Hubbleteleskopet fann en planet som bildas på ett annorlunda vis. AB

 

NASA:s rymdteleskop Hubble har fotograferat en Jupiterliknande protoplanet som ses bildas just nu genom vad forskare beskriver som en "intensiv och våldsam process". Denna upptäckt stöder en omdiskuterad teori för hur planeter som Jupiter kan bildas i en process kallad "disk instabilitet".

Den nya världen är under uppbyggnad inbäddad i en protoplanet skiva av damm och gas med en distinkt spiralstrukturform som virvlar runt  en ung stjärna som uppskattas vara cirka 2 miljoner år gammal. Stjärnan AB Aurigae  som finns i Kuskens stjärnbild 531 ljusår bort. Den är ungefär lika gammal som vi ser den nu som vårt solsystem var när planetbildning pågick här. (Vårt solsystems ålder nu är 4,6 miljarder år.)

"Naturen är smart; det kan producera planeter på flera sätt, säger Thayne Currie vid Subaru Telescope och Eureka Scientific, ledande forskare i studien. Något man även kan se om livsformer. Det finns nästan oräkneliga  uppkomna livsformer på jorden av alla slags utseende och art så det är inte konstigt att det söks efter liv på andra planeter (min anm.).

Alla planeter består av material med  ursprung från en cirkumstellär skiva (av gas och damm runt en nybildad sol). Planeter under bildande i skivan växer från små föremål  med storlekar som sträcker sig från dammkorn till stenblock vilka kolliderar och då växer till och växer vidare i storlek genom gravitation och rörelse (så bildades även Jorden). Den då växande planetkärnan ackumulerar sedan långsamt vidare  gas, sten och damm från disken och blir allt större.

Däremot är disk instabilitetsmetoden annorlunda en modell uppifrån och ned där gravitationen får en protoplanetär skiva runt en stjärna att svalna och skivan snabbt att bryts upp i ett eller flera massor bestående av gas, damm och sten i skilda storlekar.

Den nybildade planeten Hubble upptäckte  kallad AB Aurigae b, är förmodligen ungefär nio gånger massivare än Jupiter och kretsar runt sin sol på det enorma avståndet av mer än två gånger längre ut än Pluto är från vår sol. På det avståndet skulle det ta mycket lång tid om någonsin för en planet i Jupiter-storlek att bildas som en kärna. Detta leder forskare till att dra slutsatsen att diskens instabilitet gjort det möjligt för denna planet att bildas på stort avstånd. Och det står i en slående kontrast till förväntningarna på planetbildning med den allmänt accepterade modellen. I detta fall kommer bitar av skivan som en massa ut i rymden och sammanslås efterhand till allt större bitar och bildar en planet då dessa bitar dras samman av gravitation och kollision. Men vanligast är att planeter bildas som det förklaras i början av inlägget (min anm.)

Den nya analysen kombinerar data från två Hubble-instrument: Space Telescope Imaging Spectrograph och Near Infrared Camera och Multi-Object Spectrograph. Dessa data jämfördes med dem från ett toppmodernt planetavbildningsinstrument som kallad SCExAO på Japans 8,2 meter Subaru Telescope som finns på toppen av Mauna Kea, Hawaii. Mängden data från rymden och markbaserade teleskop visade sig vara avgörande eftersom det är mycket svårt att skilja mellan nya planeter och komplexa diskrörelser som inte är relaterade till planeter.

"Att tolka det här systemet är extremt utmanande", säger Currie. "Detta är en av anledningarna till att vi behövde Hubble för det här projektet ."

Naturen själv gav också en hjälpande hand: då den stora skivan av damm och gas som virvlar runt stjärnan AB Aurigae lutas nästan i rät vinkel mot  jorden. "Denna nya upptäckt är ett starkt bevis på att vissa gasjätteplaneter bildas genom disk instabilitetsmekanismen", betonade Alan Boss vid Carnegie Institution of Science i Washington, D.C. "I slutändan är gravitation allt som räknas, eftersom resterna av stjärnbildningsprocessen kommer att dras samman av gravitation för att bilda planeter, på ett eller annat sätt."

Att förstå de första dagarna i bildande av Jupiter-liknande planeter ger astronomer mer sammanhang i vårt eget solsystems historia. Denna upptäckt banar väg för framtida studier av den kemiska bildningen i protoplanetära skivor som den AB Aurigae bildades ur bland annat med  hjälp av NASA:s James Webb Space Telescope framtida teleskopsunderökningar.

Bild vikipedia.  ALMA-teleskopets bild av en dammig ring bestående av röda och blå  spiraler av gas på den cirkumstellära skivan runt  stjärnan AB Aurigae inuti ett brett damm fritt område i skivan vilket ger en antydan till pågående planetbildning. Det är här den beskrivna planeten AB Aurigae b just nu bildas.

Skräp saknas från planetbildningen i solsystemet

 

Då solsystemet bildades för ca 4 miljarder år sedan skedde det genom att från början heta små planeter och sten kolliderade vilket ökade omfånget på en av kropparna . I kaoset konstruerades ex Mars, Jorden och Venus.

Men materialet som frigjordes från dessa våldsamma kollisioner (det som studsade bort) tros allmänt ha försvunnit i form av små asteroider och samlats i asteroidbältet mellan Mars och Jupiter. En del försvann in i solen och annat i utplånades i ytterligare nedslag.  

Men asteroidbältet verkar inte innehålla tillräckligt av detta nedslagsskräp enligt forskare. Från Arizona State University's School of Earth and Space Exploration, tidigare NewSpace har två forskare Postdoctoral Fellow Travis Gabriel och doktorand Harrison Allen-Sutter undersökte denna diskrepans och skapade avancerade datorsimuleringar av kollisionerna med överraskande resultat.

"De flesta forskare fokuserar på de direkta effekterna av påverkan, men skräpets natur har inte teoretiserats", säger Allen-Sutter.

Istället för att skapa stenigt skräp vid ut studsandet visade datasimuleringar av händelseförloppet att kollisioner mellan planeter och sten förångar en del sten till gas. Till skillnad från fast och smält skräp försvinner denna gas ut från solsystemet vilket förklarar att det finns få spår av dessa planetbildningshändelser enligt ovan resonemang.

Gas kan lätt försvinna i tomheten däruppe (min anm.) men säkert försvann mycket av bitarna från kollisionerna även in i asteroidbältet eller in i solen. Allt beroende av hur stora bitar som slogs itu vid kollisionerna dess hastighet, riktning och vad de bestod av.

Bild vikipedia.

Jämförelser ska göras mellan planetbildande gasskivor

 

Om vi kunde vrida tiden baklänges skulle vi se vårt solsystem bildas. En spännande händelse som skulle ge mycket kunskap om hur allt kom till.  Men även då vi inte kan detta  kan forskare studera andra system som just nu aktivt med gas och damm bildar ett solsystem vid sin sol. Genom detta kan vi lära om hur det går till.

Ett team under ledning av Dr Thomas Henning från Max Planck Institute for Astronomy i Heidelberg, Tyskland ska  använda  NASA: s kommande James Webb Space Telescope för att kartlägga mer än 50 planetbildande skivor i olika stadier av tillväxt för att avgöra vilka molekyler som finns i dessa och leta efter likheter och skillnader i gassammansättning i var och en av dessa för att leta efter olikheter av sammansättning.

Detta forskningsprogram kommer i första hand att samla in data i form av spektra. Spektra är som regnbågesken det sprider ut ljus i alla våglängder och färger beroende av vad slags materia de studsar mot.  

Denna information kommer att göra det möjligt för forskarna att konstruera betydligt mer detaljerade modeller av vad som finns i   dessa planetära skivor (gasmoln, nebulosor) och var i dem.  "Om du använder en modell av dessa spektra kan du ta reda på vad för slags  molekyler det finns och var i skivan de  finns och vad deras temperaturer är”, säger Henning.

Det är många förhoppningar som ställs på det nya James Webb teleskopet, många står på kö för att använda dess resurser. I augusti 2021 är det planerat att det ska sändas upp (min anm.).

Bild från vikipedia på nebulosan NGC 604 i galaxen M33. En nebulosa är en gas och stoffbemängt moln däruppe. I dessa kan stjärnor bildas och då även planetsystem vid dessa stjärnor.

Två planeter bildas just nu vid stjärnan PDS 70.

Astronomer har fotograferat två planeter under konstruktion kretsande runt stjärnan PDS 70 vilken finns ca 370 ljusår från jorden, rapporteras i en ny rapport.


PDS 70 är det andra multiplanetsystem där en händelse av detta slag sker just nu från vår händelsehorisont sett. Den första vi upptäckte var vid stjärnan HR 8799.  Men i solsystemet HR 8799 är planeterna nästintill färdigbildade medan de i PDS 70 fortfarande växer till sig i en skiva av gas och stoft runt stjärnan.


Detta är den första otvetydiga upptäckten av ett bildande av ett två-planetsystem säger medförfattare Julien Girardvid  Space Telescope Science Institute i Baltimore i den publicerade rapporten.


Stjärnan PDS 70 är enbart ca 6 miljoner år gammal. Den disk där skeendet pågår sträcker sig från ca 3 till 6 miljarder kilometer från stjärnan.


Det var 2018 astronomer upptäckte en gasjätte i denna disk som fick namnet PDS 70b nära innerkanten 3,2 miljarder km från moderstjärnan PDS 70 vilket motsvarar ungefär avståndet mellan Uranus och solen i vårt solsystem.
  

Gasplaneten PDS 70b uppskattas som fyra till 17 gånger mer massiv än Jupiter. Samtidigt upptäcktes ytterligare en planetbildning 5,3 miljarder km från stjärnan vilken fått beteckningen PDS 70c vilkens avstånd till PDS 70 kan jämföras med avståndet från vår sol till Neptunus även PDS 70c är en gasjätte.


Bilden föreställer den protoplanetära skivan PDS 70 med planet PDS 70b  i bildande (höger).

En kamp mellan kometer och stora planeter pågår just nu därute i universum

Gigantiska planeter och kometer kämpar i detta ögonblick från vår synvinkel och tid runt skivan i HD 163296. En ung stjärna ca 400 ljusår från oss. 


Kampen pågår i skivorna runt stjärnan. Skivorna vilka består av gas och stoft vilket  omger unga stjärnor där planeter föds. Dammet i skivorna ger det byggmaterial som planeter börjar sin tillväxt i. Damm som efterhand försvinner. 


Sedan de första bilderna av liknande stjärnor bland unga stjärnor har ALMA-teleskopetets  upptäckter  lärt oss mycket om dessahändelser vid unga stjärnor.


 Det är ett samspel av gravitation och gas och damm som bildar nya planeter.


Forskning inom området pågår bland annat vid The Institute for Space Astrophysics and Planetary Science (IAPS) of the Italian National Institute of Astrophysics (INAF). Här har en forskare med namnet Diego Turrini  beskrivit fenomenet i en nyligen framlagd rapport.


Bilden är en illustration på skivan runt den unga stjärnan HD 163296

HR 4796A är en enbart 8 miljoner år gammal stjärna där Hubbleteleskopet misstänker att det är full fart under ungdomstiden.

HR 4796 är ett binärt stjärnsystem i den sydliga konstellationen av Centaurus . på ett avstånd av 237 ljusår från jorden . De två komponenterna i detta system är ett ungt system med en beräknad ålder på ca 8 miljoner år. Den primära medlemmen

HR 4796A har en stjärnklassificering av A0 V, medan dess mindre följeslagare

HR 4796B är en röd dvärg med en klassificering av M2.5 V. Se klassificeringssystem här.

Det är den A-klassade stjärnan som har en ring och får stjärnan att likna ett öga vilket gett den smeknamnet " Sauron's Eye

Se medföljande bild. Hubbletelskopet har undersökt området   och allt detta damm i mängder som finns här är intressant att följa rörelserna av.

Detta då stjärnan är ung och misstanken finns att planetsystem bildas i dammrörelserna just nu. Genom att försöka förstå hur allt rör sig där kan vi få nya kunskaper om hur rörelserna här visar mot planetbildning och det ger även kunskap om hur vårt kom till i damm och grus.

Annars är damm i sig mycket vanligt i universum och knappast något astronomer blir upphetsade över. Men vid en ung stjärna som denna är det annorlunda.

Hubbleteleskopet har härmed hittat ytterligare något väl värt att närmare undersöka.

En ung sol med material för planetbildning och dess processer hittat i Flodens stjärnbild. Läs om upptäckten nedan.

NASA:s observatorieflygplan Sofia vilken rör sig och ser ut som ett vanligt flygplan uppe i stratosfären har i det infraröda strålningsfältet funnit ett nytt planetsystem därute i universum.

Det finns 10,5 ljusår från oss i stjärnbilden Floden, synlig från södra halvklotet. 

Epsilon Eridan är namnet på stjärnan vilken är en ung sol där detta system upptäckts.

Runt denna sol finns ett brett fragment av damm och material vilket kan ge upphov till planeter i framtiden. 

Det är därför spännande att ha observation här för att kanske lära mer om hur planetsystem kan börja bildas runt en ung sol. 

Runt dvärgstjärnan TW Hydrae kan planetbildning iakttas just nu.

175 ljusår från oss ligger denna stjärna där planetbildning troligen pågår. Genom sitt läge och avstånd från oss är det möjligt att se de skivor vilka omger stjärnan och där troligen planetbildning sker.

Den är ett bra objekt att studera för astronomer. Dess ålder är även lågt,  ca 10 miljoner år gammal är stjärnan. Vår sol är ca 4,6 miljarder år gammal.

TW Hydrae finns i stjärnbilden Vattenormen på södra stjärnhimlen.