Dolda planetbildande strukturer i de minsta dammskivorna

 

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. 

 

Dolda strukturer från universums första tid

 

Bild https://hetdex.org En del av ovan linjeintensitetskartan skapades genom att kartlägga fördelningen och koncentrationen av exciterat väte (via Lymans alfavåglängd) i universum för tio miljarder år sedan. Stjärnorna markerar var HETDEX har hittat galaxer. Infällda fältet visar en simulation av strukturen som finns när den  zoomats in och bakgrundsbruset tas bort från data. Källa: Maja Lujan Niemeyer/Max Planck Institute for Astrophysics/HETDEX, Chris Byrohl/Stanford University/HETDEX.

Hobby-Eberly Telescope Dark Energy Experiment (HETDEX) har astronomer använt data från i projektet för att skapa den största och mest exakta 3D-kartan hittills över ljuset som sändes ut av exciterat väte i det tidiga universum, för 9 miljarder till 11 miljarder år sedan. Denna specifika form av ljus, kallad Lyman-alfa, avges i stora mängder när väteatomer utsätts för en stjärnas energiutkast. Lyman - alfa strålning ett utmärkt verktyg för att hitta ljusstarka galaxer i denna avlägsna tid, som upplevde en våg av stjärnbildning. Dock har platserna från svaglysande galaxer och gas som avger Lyman-alfa, förblivit till stor del okända.

"Att observera det tidiga universum ger oss en uppfattning om hur galaxer utvecklades till sin nuvarande form och vilken roll intergalaktisk gas spelade i denna process," beskriver Maja Lujan Niemeyer, HETDEX-forskare i en studie och nyutexaminerad från Max Planck-institutet för astrofysik som ledde utvecklingen av kartan. "Men eftersom de är långt borta är många föremål i denna tid svaga och svåra att observera."

Med en teknik som kallas Line Intensity Mapping drar den nya kartan in dessa objekt i bild vilket tillför form och nyanser i denna formativa era i vårt universum. Resultaten publicerades den 3 mars i The Astrophysical Journal. 

Hur mystiska strukturer i jordens mantel innehåller ledtrådar till liv

 

Bild https://www.rutgers.edu  illustrationen ovan visar ett utskuret snitt av den tidiga jordens inre med ett hett, smält lager ovanför gränsen mellan kärnan och manteln. Forskare tror att en del material från kärnan läckte in i detta smälta lager och blandades med detta. Med tiden bidrog denna blandning till att skapa den ojämna strukturen hos jordens mantel som vi ser idag. Illustration av Yoshinori Miyazaki

För miljarder år sedan var jorden täckt av ett globalt hav bestående av magma, beskriver Miyazaki, biträdande professor in the Department of Earth and Planetary Sciences in Rutgers School of Arts and Sciences. När magman svalnade förväntade sig forskare att manteln skulle bilda distinkta kemiska lager som kan liknas vid frusen juice som separerar i sockerhaltigt koncentrat och vattnig is. Men seismiska studier visar ingen sådan stark skiktning finns. Istället bildades stora provinser med låg skjuvhastighet och zoner i ultralåg hastighet oregelbundna högar vid jordens bas.

”Den motsägelsen var utgångspunkten”, beskriver Miyazaki. Om vi ​​utgår från magmahavet och gör beräkningarna får vi inte det vi ser i jordens mantel idag. Något saknas.”

Hans medarbetare drog slutsatsen att den saknade delen är själva kärnan. Deras modell antyder att under miljarder år har element som kisel och magnesium läckt från kärnan in i manteln, blandats med denna och förhindrat stark kemisk skiktning. Denna infusion skulle kunna förklara den märkliga sammansättningen av stora provinser med låg skjuvhastighet och zoner med ultralåg hastighet vilka kan ses som stelnade rester av vad forskarna kallade ett "basalt magmahav" förorenat av kärnmaterial.

”Det vi föreslog var att det kunde komma från material som läckte ut från kärnan”, beskriver Miyazaki. ”Om man lägger till kärnkomponenten skulle det kunna förklara vad vi ser just nu.”

Upptäckten handlar om mer än bara kemi i jordens djup, enligt Miyazaki. Interaktioner mellan kärna och mantel kan ha påverkat hur jorden kyldes ner, hur vulkanisk aktivitet utvecklades och till och med hur atmosfären utvecklats. Det skulle kunna bidra till att förklara varför jorden har hav och liv, medan Venus är ett brännande växthus och Mars är en frusen öken.

”Jorden har vatten, liv och en relativt stabil atmosfär”, beskriver Miyazaki. ”Venus atmosfär är 100 gånger tätare än jordens och består mestadels av koldioxid medan Mars har en mycket tunn atmosfär. Vi förstår inte helt varför det är så. Men vad som händer inuti en planet, det vill säga hur den kyls ner, hur dess lager utvecklas, kan vara en stor del av svaret.”

Genom att integrera seismiska data, mineralfysik och geodynamisk modellering upptäcktes i studien stora provinser med låg skjuvhastighet och zoner med ultralåg hastighet som viktiga ledtrådar till jordens formationsprocesser. Strukturerna kan till och med mata vulkaniska hotspots som Hawaii och Island, och länka jordens djupa inre till dess yta.

”Detta arbete är ett utmärkt exempel på hur en kombination av planetvetenskap, geodynamik och mineralfysik kan hjälpa oss att lösa några av jordens äldsta mysterier”, beskriver Jie Deng vid Princeton University som är medförfattare till studien. ”Tanken att den djupa manteln fortfarande skulle kunna bära på det kemiska minnet av tidiga kärna-mantel-interaktioner öppnar upp nya sätt att förstå jordens unika evolution.”

Med utgångspunkt i den teorin beskriver forskarna att varje nytt bevis hjälper till att fylla luckor i jordens tidiga historia och förvandla spridda ledtrådar till en tydligare bild av dess utveckling.

”Även med väldigt få ledtrådar börjar vi bygga en historia som är logisk”, påtalar Miyazaki. ”Den här studien ger oss lite mer säkerhet om hur jorden utvecklades och varför den är så speciell.”

Studien är  publicerad i Nature Geoscience av Rutgers geodynamiker  Yoshinori Miyazaki tillsammans med medarbetare där de beskriver en ny förklaring till ovan beskrivna avvikelser och dess roll i att forma jordens förmåga att upprätthålla liv.