ALMA odhaluje život disků tvořících planety

Pozorování 30 protoplanetárních disků mění naše představy o vývoji plynu v místech zrodu planet. Mezinárodní tým astronomů odhalil převratné poznatky o discích plynu a prachu obklopujících blízké mladé hvězdy pomocí soustavy ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array). Tyto výsledky, publikované ve 12 článcích ve zvláštním vydání časopisu The Astrophysical Journal, jsou součástí velkého programu ALMA známého jako AGE-PRO (ALMA Survey of Gas Evolution of PROtoplanetary Disks).

V rámci projektu AGE-PRO bylo pozorováno 30 protoplanetárních disků kolem hvězd podobných Slunci, aby bylo možné změřit hmotnosti plynných disků v různých fázích vývoje. Studie odhalila, že plyn a prach v těchto discích se vyvíjejí různou rychlostí. „AGE-PRO poskytuje první systematická měření hmotností a velikostí plynných disků v průběhu života planetárních disků,“ řekl Ke Zhang, hlavní výzkumník programu z University of Wisconsin-Madison.

Protoplanetární disk obklopuje svou hostitelskou hvězdu po dobu několika milionů let, během nichž se jeho plyn a prach vyvíjejí a rozptylují. Tím se určuje časový rámec pro vznik obřích planet. Počáteční hmotnost, velikost a úhlová rychlost disku silně ovlivňují druh planet, které mohou vzniknout – ať už jde o plynné obry, ledové obry nebo mini-Neptuny – a jejich potenciální migrační dráhy.

Jedinečná citlivost radioteleskopu ALMA umožnila detekovat slabé molekulární čáry, což jim umožnilo prozkoumat chladný plyn uvnitř disků. AGE-PRO se zaměřila na 30 disků různého stáří, od méně než jednoho milionu do více než pěti milionů let, které se nacházejí ve třech oblastech s formujícími se hvězdami: Ophiuchus (Hadonoš), Lupus (Vlk) a Scorpius (Štír). Průzkum zachytil klíčové indikátory hmotností plynu a prachu a vytvořil tak soubor dat pro studium celého životního cyklu prostředí, v němž se formují planety.

Ačkoliv je oxid uhelnatý (CO) nejpoužívanějším indikátorem v protoplanetárních discích, AGE-PRO použil také molekulární iont N₂H⁺, aby zlepšil přesnost odhadů hmotnosti plynu. Citlivost ALMA navíc umožnila náhodnou detekci dalších molekulárních čar, včetně H₂CO, DCN, DCO⁺, N₂D⁺ a CH₃CN. „Jedná se o první rozsáhlý chemický průzkum svého druhu, který se zaměřuje na 30 disků v širokém rozmezí stáří, aby charakterizoval hmotnosti plynu,“ řekl John Carpenter, vědecký pracovník observatoře ALMA.

Zjištění ukazují, že plyn a prach se spotřebovávají různou rychlostí s tím, jak disky stárnou, přičemž poměr hmotnosti plynu a prachu se v průběhu času zřetelně mění. Zhang vysvětluje: „Nejpřekvapivějším zjištěním je, že ačkoliv se většina disků po několika milionech let rozptýlí, ty, které přežijí, si uchovávají více plynu, než jsme očekávali. To zásadně mění naše chápání toho, jak a kdy planety získávají své konečné atmosféry.“

Na projektu AGE-PRO spolupracoval tým z Chilské univerzity, který vedla astrofyzička Laura Pérezová spolu s postdoktorandy Carolinou Agurtovou a Aníbalem Sierrou, kteří jsou členy Centra pro astrofyziku a přidružené technologie (CATA). Pérezová zdůraznila, že průzkum má velký význam pro to, aby poskytl tolik potřebný pohled na vývoj plynu: „Až dosud byla většina toho, co jsme věděli o vývoji disků, založena na pevných látkách. Díky AGE-PRO máme konečně k dispozici přímá a konzistentní měření vývoje plynu v průběhu celého života disku – což je klíčové pro pochopení toho, jak vznikají obří planety.“

Carolina Agurtová vedla analýzu Štíra, oblasti známé tím, že se zde nacházejí vyvinutější disky. Její práce přinesla zásadní poznatky o závěrečných fázích těchto systémů a ukázala, že disky, které přetrvávají déle, obsahují podstatně více plynu, než se dříve předpokládalo. Mezitím se Aníbal Sierra zaměřil na jeden z nejjasnějších a nejstarších disků ve vzorku – 2MASS J16120668-3010270 – kde identifikoval známky dvou formujících se planet: jednu odhalil okolní prach a druhou odvodil z gravitačních perturbací. Již nyní se plánují následná pozorování pomocí vesmírného dalekohledu Jamese Webba (JWST), jejichž cílem je přímá detekce exoplanet.

Na projektu AGE-PRO se podílelo také několik studentů bakalářského a magisterského studia v Chile: Benjamín Cabrera, který pracoval na určování hmotností hvězd, José Mondaca, který analyzoval nejmladší disky v Ophiuchu a Camila Pulgarésová, která se zaměřila na studium vývoje prachu ve všech 30 discích.
„Rozvoj vědy je skutečně společným dílem lidí z různých zemí a prostředí, z nichž každý přispívá svým jedinečným pohledem na věc, aby posunul hranice objevů,“ uvedla Ilaria Pascucciová, spoluřešitelka projektu z Arizonské univerzity.

Na připojeném obrázku je umělecká ilustrace vývoje plynného disku, jak jej odhalil program AGE-PRO. Program AGE-PRO pozoroval 30 protoplanetárních disků kolem hvězd podobných Slunci, aby změřil, jak se mění hmotnost plynných disků s věkem. Horní řádek ilustruje již dříve známý trend: podíl mladých hvězd s disky v čase klesá. Studie AGE-PRO poprvé ukázala, že medián hmotnosti plynných disků přežívajících hvězd také klesá s věkem. Disky mladší než 1 milion let (Myr) mají obvykle několik hmotností Jupitera plynu, ale u starších systémů tato hmotnost rychle klesá pod 1 hmotnost Jupitera. Zajímavé je, že přeživší disky v rozmezí stáří 1-3 Myr a 2-6 Myr si zřejmě udržují podobné střední hmotnosti plynu.

Zdroj: https://www.almaobservatory.org/en/press-releases/alma-reveals-lives-of-planet-forming-disks/ a https://public.nrao.edu/news/alma-planet-forming-disks/

autor: František Martinek