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Imaging the Dynamical Imprints of Planet Formation in Protoplanetary Discs

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Le nuove tecniche di immaginografia rivelano i vivai di pianeti con dettagli senza precedenti

I pianeti si formano da dischi di gas e polvere che circondano le giovani stelle, per questo la loro nascita è difficile da rilevare. ImagePlanetFormDiscs ha sviluppato nuovi strumenti per cercare le firme dirette e indirette della formazione dei pianeti nelle regioni più interne di questi dischi.

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Un obiettivo importante per l’astrofisica è quello di rilevare i pianeti ancora in formazione nel loro ambiente natale di dischi protoplanetari di gas e polvere con pochi milioni di anni. Il progetto ImagePlanetFormDiscs, finanziato dal Consiglio europeo della ricerca, ha sviluppato tecniche di immaginografia per un’esplorazione senza precedenti su piccola scala, una frazione dell’orbita del Sistema solare terrestre. Il progetto si è anche avvalso di simulazioni per mostrare come questi dischi rispondono alla presenza di un pianeta o all’attrazione gravitazionale di più stelle. Lo studio del modo in cui la materia si aggrega in un giovane sistema di stelle binarie ha permesso al team di dimostrare che le tecniche di interferometria possono separare i contributi di accrezione di una stella compagna da quelli della stella primaria più grande. «Sondando diverse lunghezze d’onda e scale spaziali, i nostri studi tracciano l’intera estensione dei dischi protoplanetari, da scale corrispondenti all’orbita di Mercurio a dieci volte l’orbita di Nettuno nel nostro Sistema solare», racconta il coordinatore del progetto Stefan Kraus.

Scrutare attraverso la polvere

Il team ha caratterizzato il disco di GW Orionis dalla strana forma e creato un modello tridimensionale combinando l’immaginografia termica della polvere e l’immaginografia della luce diffusa. È stato un momento «eureka» perché le nostre osservazioni mostrano che il disco è fortemente deformato, non piatto. Per capire la causa di questa estrema distorsione del disco, abbiamo mappato le orbite precise delle tre stelle al suo centro», aggiunge Kraus. Una simulazione del disco intorno a GW Orionis ha suggerito che l’attrazione gravitazionale concorrente di tre stelle ha lacerato e deformato il disco. «Mentre il processo di lacerazione del disco era stato previsto teoricamente, questa è la prima volta che è stato effettivamente osservato», osserva Kraus. Il team ha anche reso con l’immaginografia il disco intorno alla stella V1247 Orionis, molto studiata con ALMA e il telescopio VLT (Very Large Telescope), a più lunghezze d’onda, trovando un’asimmetria a forma di mezzaluna il quale suggerirebbe la presenza di un vortice che intrappola la polvere, forse innescato da un pianeta non ancora scoperto. Inoltre, utilizzando l’interferometria ad alta risoluzione spettrale, il team ha misurato per la prima volta l’orientamento spin-orbitale di un sistema esoplanetario direttamente fotografato, Beta Pictoris.

Interferometria

Le stelle e i pianeti si formano mediante accrezione, quando il materiale di una struttura grande viene aggiunto a una struttura più piccola. ImagePlanetFormDiscs ha utilizzato le tecniche di interferometria per studiare la struttura dei dischi di formazione dei pianeti, per localizzare l’accrezione e per verificare se l’immaginografia interferometrica possa rilevare pianeti giovani. L’interferometria combina diversi telescopi per ottenere immagini di una nitidezza senza precedenti. In precedenza, il Michigan InfraRed Combiner (MIRC) presso il telescopio CHARA Array aveva catturato le strutture della superficie stellare, ma non aveva la sensibilità necessaria per osservare le giovani stelle deboli. ImagePlanetFormDiscs ha migliorato la sensibilità dello strumento sostituendo la fotocamera e altre parti del sistema ottico. Gli sforzi del team sono stati agevolati da una nuova generazione di rivelatori a infrarossi che amplificano i segnali. In grado di congelare efficacemente le immagini della turbolenza atmosferica a una velocità di diverse migliaia di immagini al secondo, questo rivelatore «electron-Avalanche Photodiode» ha migliorato la sensibilità dello strumento MIRC di circa 20 volte. «Il MIRC-X è il riproduttore di immagini a infrarossi a più alta risoluzione al mondo e ha permesso le prime osservazioni interferometriche di giovani stelle con una nitidezza d’immagine di gran lunga migliore di un milionesimo di grado», spiega Kraus. Le osservazioni sono state integrate con i dati degli strumenti PIONIER, GRAVITY e SPHERE presso il VLT dell’ESO in Cile, insieme all’array submillimetrico ALMA. Nell’ambito di un nuovo progetto chiamato GAIA-BIFROST, il team costruirà ora uno strumento per l’interferometro del VLT, al fine di operare nella stessa gamma di lunghezze d’onda di MIRC-X.

Parole chiave

ImagePlanetFormDiscs, disco, protoplanetario, attrazione gravitazionale, infrarossi, interferometria

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