Układy egzoplanet bywają bardziej skomplikowane niż przypuszczaliśmy
Wprawdzie odkryto już tysiące egzoplanet, ale większość z nich znajduje się w stosunkowo niewielkim obszarze naszej galaktyki. Dzięki udoskonalonym technikom detekcji w ciągu dziesięciu lat liczba odkrytych egzoplanet może wzrosnąć dziesięciokrotnie, co pozwoli uczonym zdobyć więcej informacji na temat ich konfiguracji orbitalnych (tzw. „architektur planetarnych”). Richard Alexander z projektu BuildingPlanS tłumaczy: „W przyrodzie występuje prawie każda architektura planetarna, jaką można sobie wyobrazić, a większość z nich w niczym nie przypomina naszego Układu Słonecznego”. Ale co decyduje o kształcie tych architektur? Zespół projektu BuildingPlanS, finansowanego przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych, zbadał sposób tworzenia się układów egzoplanet i jego wpływ na ich aktualną architekturę. „Nowe obserwacje astronomiczne pokazały nam, że procesy zachodzące w tych układach są o wiele bardziej skomplikowane, niż dotychczas sądzono. Na przykład dyski protoplanetarne, które wydawały się jednorodne i pozbawione cech dystynktywnych, okazują się mieć złożoną strukturę, z pierścieniami, pustymi przestrzeniami czy spiralami”, mówi Alexander, który jest profesorem astrofizyki teoretycznej na Uniwersytecie w Leicester, pełniącym funkcję gospodarza projektu.
Odtworzyć architektury planetarne
Planety powstają w bogatych w gaz dyskach otaczających młode gwiazdy, ale po uformowaniu się zmieniają swoją orbitę pod wpływem oddziaływania z „macierzystymi” dyskami. „O ile możemy obserwować początek formowania się planet – w postaci dysków protoplanetarnych – oraz efekt końcowy tego procesu, o tyle większość wydarzeń zachodzących pomiędzy tymi skrajnymi punktami pozostaje niedostępna do obserwacji. Wynika to ze skal czasowych oraz z faktu, że materiały, z których formują się planety – zasadniczo duże skały – nie emitują wystarczająco dużo światła, abyśmy mogli je zobaczyć”, wyjaśnia Alexander. Zespół BuildingPlanS stworzył modele obliczeniowe, które umożliwiają symulację tych stadiów pośrednich. W większości były to hydrodynamiczne modele planet i dysków gazowo-pyłowych, wykorzystujące zarówno otwarte kody symulacyjne, w szczególności PHANTOM, jak i oprogramowanie opracowane przez zespół. Dane pochodziły z obserwatoriów takich jak ALMA, ESO VLT oraz teleskop Hubble’a. Zespół określił początkowe parametry dysków – takie jak masa, rozległość i temperatura – oraz orbity i właściwości gwiazd i planet, a następnie przeprowadził symulację ewolucji układu planetarnego. Obrazy poddano obróbce końcowej z wykorzystaniem obliczeń transportu promieniowania, aby zobaczyć, jak wyglądałyby w obiektywach teleskopów. Wykorzystane przez zespół BuildingPlanS nowe dane pochodzące z teleskopu ALMA pozwoliły na wyłonienie rodzajów egzoplanet, których istnienia dotąd nie podejrzewano. W efekcie otrzymano ważne wyniki dotyczące układów planetarnych Elias 24. Zespół wykazał, że obserwowana struktura dysku wynika przypuszczalnie z obecności ogromnej planety na jego pierścieniu zewnętrznym. Inne ustalenia dotyczyły dysków, które są rozmieszczone na różnych płaszczyznach. „Na początku projektu większość uczonych uważała je za nowe zjawisko, ale nasza praca pokazuje, że w rzeczywistości są one dość powszechne”, zauważa Alexander. Dodatkowe prace dotyczyły układu HD143006. Modele opracowane przez zespół wskazują, że mamy tam do czynienia z pojedynczą planetą krążącą wokół dwóch gwiazd, z tym że w tym przypadku orbita jednej z gwiazd wydaje się przebiegać po innej płaszczyźnie niż orbita drugiej. Gdyby to odkrycie się potwierdziło, byłby to pierwszy znany przykład „planety okołopodwójnej o przesuniętych orbitach”.
Nieznany świat
Wyniki tych prac pozwoliły Alexandrowi na wyciągnięcie dwóch głównych wniosków, które będą przydatne w przyszłych pracach. Po pierwsze udało się ustalić, że pył pełni bardzo istotną rolę we wczesnej ewolucji układów planetarnych. Jak mówi Alexander: „Stanowi on nie tylko budulec planet, ale także bezpośrednio wpływa na ewolucję dysku gazowego”. Po drugie, ważne jest również środowisko układów planetarnych, co oznacza, że jeśli w celu uproszczenia badań uczeni będą traktować układy w oderwaniu od siebie, mogą przeoczyć znaczące zjawiska. Alexander postrzega przyszłość badań w tej dziedzinie następująco: „Myślę, że największy postęp będzie związany z nowymi obserwacjami, zwłaszcza pochodzącymi z teleskopu kosmicznego Jamesa Webba, w które nasz zespół jest zaangażowany, po części dzięki projektowi BuildingPlanS”.
Słowa kluczowe
BuildingPlanS, planeta, gaz, dysk, ALMA, obserwatoria, Układ Słoneczny, gwiazdy, orbity, symulacja