Nové zobrazování odhaluje první krok vzniku planet po zrodu hvězdy

Výzkumný tým pod vedením Ayumu Shoshiho z Kyushu University a Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics (ASIAA) odhalil pomocí nové zobrazovací techniky s řízeným modelováním archivních dat z radioteleskopu ALMA protoplanetární disky kolem protohvězd, které nebyly v předchozích analýzách jasně pozorovány. Cílem bylo 78 disků v oblasti hvězdotvorby v souhvězdí Hadonoše (Ophiuchus). Tyto disky složené z plynu a prachu, které se formují kolem protohvězd bezprostředně po jejich zrodu, jsou takříkajíc kolébkami planet. Nová technika odhalila různé charakteristické substruktury disků, včetně prstenců a spirál, které byly dříve běžnými metodami nezjistitelné. Pozoruhodné je, že tyto charakteristické substruktury byly nalezeny u značného počtu hvězd v raných fázích jejich vzniku, přibližně několik set tisíc let po zrodu hvězdy. To naznačuje možnou společnou evoluci hvězd a planet v prostředí bohatém na plyn a prach, což poskytuje důležitý klíč k pochopení procesu vzniku planet.

Určení doby vzniku planetárních soustav, jako je naše Sluneční soustava, by mohlo být začátkem cesty k odhalení původu života. Klíčem k tomu jsou jedinečné substruktury, které se nacházejí v protoplanetárních discích – místech vzniku planet. Protoplanetární disk se skládá z nízkoteplotního molekulárního plynu a prachu, který obklopuje protohvězdu. Pokud v disku existuje planeta, její gravitace shromažďuje nebo vyvrhuje materiál uvnitř disku a vytváří charakteristické substruktury, jako jsou prstence nebo spirály. Jinými slovy, různé substruktury disku lze interpretovat jako „zprávy“ od formujících se planet. K podrobnému studiu těchto substruktur jsou zapotřebí rádiová pozorování s vysokým rozlišením pomocí radioteleskopu ALMA.

Dosud bylo provedeno mnoho pozorování protoplanetárních disků (neboli cirkumstelárních disků) pomocí radioteleskopu ALMA. Zejména dva velké programy ALMA, DSHARP a eDisk, odhalily detailní rozložení prachu v protoplanetárních discích prostřednictvím pozorování s vysokým rozlišením. V rámci projektu DSHARP bylo zjištěno, že v cirkumstelárních discích kolem 20 mladých hvězd, z nichž každá překračuje jeden milion let od počátku vzniku hvězdy, se běžně vyskytují charakteristické struktury. Naopak méně výrazných struktur bylo nalezeno v projektu eDisk, který zkoumal disky kolem 19 protohvězd ve fázi akrece (fáze, kdy dochází k akreci hmoty na hvězdu a disk je aktivní). Tato fáze nastává přibližně 10 000 až 100 000 let po zrodu hvězdy. To naznačuje, že disky mají různé vlastnosti v závislosti na stáří hvězdy.

Zde je otázkou, kdy se v discích objevují substruktury, známky vzniku planet. K nalezení odpovědi je nutné pozorovat disky širokého spektra středního stáří, které dosud nebyly prozkoumány. Omezení počtu disků pozorovatelných při vysokém rozlišení, způsobená vzdáleností a dobou pozorování, však ztěžují provedení statisticky významného průzkumu s dostatečně velkým vzorkem.

Na následujících dvou obrázcích je porovnání protoplanetárních disků v oblasti hvězdotvorby v Hadonoši vytvořených pomocí superrozlišovacího zobrazování s řízeným modelováním oproti konvenční zobrazovací metodě. Rozlišení je označeno bílou elipsou v levém dolním rohu každého panelu, přičemž menší elipsa značí vyšší rozlišení. Bílá čára v pravém dolním rohu každého panelu označuje měřítko 30 AU. Vývojové stadium centrálních hvězd postupuje zleva doprava a ve stejné řadě shora dolů.

K překonání omezení v pozorování se výzkumný tým zaměřil na zobrazování se superrozlišením a řízeným modelováním. V radioastronomii se snímky běžně obnovují na základě určitého předpokladu, který má kompenzovat chybějící pozorovací data. Tentokrát použitá zobrazovací metoda rekonstruuje na základě přesnějšího předpokladu než konvenční přístup, čímž vytváří snímky s vyšším rozlišením, přestože jsou použita stejná pozorovací data. V této studii byl použit PRIISM (Python module for Radio Interferometry Imaging with Sparse Modeling), veřejný software vyvinutý japonským výzkumným týmem. Vědci využili tuto novou zobrazovací techniku na archivních datech z radioteleskopu ALMA, přičemž se zaměřili na 78 disků v oblasti hvězdotvorby v souhvězdí Hadonoše, která se nachází 460 světelných let od Sluneční soustavy.

Výsledkem je, že více než polovina snímků vytvořených v této studii dosáhla více než třikrát vyššího rozlišení než u konvenční metody, což je srovnatelné s rozlišením projektů DSHARP a eDisk. Celkový počet vzorků v této studii je navíc téměř čtyřikrát větší než u předchozích dvou projektů, což výrazně zlepšuje robustnost naší statistické analýzy. Mezi analyzovanými 78 disky bylo u 27 disků zjištěno, že mají prstencové nebo spirálové struktury, z nichž 15 bylo v této studii identifikováno poprvé.

Tým zkombinoval vzorek z projektu Ophiuchus se vzorky z projektu eDisk a provedl statistickou analýzu. Výsledkem bylo zjištění, že charakteristické diskové substruktury vznikají v discích s poloměrem větším než 30 astronomických jednotek (au) v rané fázi vzniku hvězd, tedy jen několik set tisíc let po zrodu hvězdy. To naznačuje, že planety se začínají formovat v mnohem dřívější fázi, než se dosud předpokládalo, kdy disk ještě disponuje velkým množstvím plynu a prachu. Jinými slovy, planety rostou společně se svými velmi mladými hostitelskými hvězdami. Ayumu Shoshi říká: „Tato zjištění, překlenující propast mezi projekty eDisk a DSHARP, byla umožněna díky inovativnímu zobrazování, které umožňuje jak dosažení vysokého rozlišení, tak i velkého počtu vzorků. Ačkoliv se tato zjištění týkají pouze disků v souhvězdí Ophiuchus, budoucí studie dalších oblastí s tvorbou hvězd odhalí, zda je tato tendence univerzální.“

Zdroj: https://www.almaobservatory.org/en/audiences/new-super-resolution-imaging-reveals-the-first-step-of-planet-formation-after-star-birth/

autor: František Martinek