Gökbilimciler, genç yıldızların etrafındaki gezegenleri tartmak ve tarihlemek için ‘küçük kasırgalar’ kullanıyor

Genç yıldızların etrafındaki gaz ve toz disklerinde oluşan küçük ‘kasırgalar’, yıldızlarının etrafında büyük mesafelerde dönen ve çoğu teleskopun erişemeyeceği küçük gezegenler için bile gezegen oluşumunun belirli yönlerini incelemek için kullanılabilir.

Cambridge Üniversitesi’nden ve İleri Araştırma Enstitüsü’nden araştırmacılar, bu “kasırgaların” Atacama Büyük Milimetre/milimetre-altı Dizisi (ALMA) tarafından gözlemlenmesini kullanan bir teknik geliştirdiler. Yıldız sistemi.

Genç yıldızları çevreleyen gözleme benzeri gaz bulutları, toz ve buz – protogezegen diskleri olarak bilinir – gezegen oluşum sürecinin başladığı yerdir. Çekirdek birikimi olarak bilinen bir süreçle yerçekimi, diskteki parçacıkların birbirine yapışmasına ve sonunda asteroitler veya gezegenler gibi daha büyük katı cisimler oluşturmasına neden olur. Genç gezegenler oluştukça, protogezegen diskinde, bir vinil plak üzerindeki oluklar gibi boşluklar açmaya başlarlar.

Nispeten küçük bir gezegen bile -son zamanlarda yapılan bazı hesaplamalara göre Jüpiter’in kütlesinin onda biri kadar küçük- bu tür boşluklar yaratabilir. Bu “süper-Neptün” gezegenleri, yıldızlarının yörüngesinde Pluto’nun Güneş’in yörüngesinden daha uzak bir mesafede yörüngede dönebildikleri için, geleneksel ötegezegen algılama yöntemleri kullanılamaz.

Oluklara ek olarak, ALMA’dan yapılan gözlemler, protogezegen disklerinde muz veya yer fıstığı şeklindeki yaylar ve kümeler gibi başka belirgin yapılar göstermiştir. Bu yapıların en azından bazılarının da gezegenler tarafından yönlendirildiği düşünülüyordu.

Cambridge’in Uygulamalı Matematik ve Teorik Fizik Bölümü’nden ve Princeton, New Jersey’deki İleri Araştırma Enstitüsü’nden baş yazar Profesör Roman Rafikov, “Bir şey bu yapıların oluşmasına neden oluyor olmalı” dedi. “Bu yapıları üretmenin olası mekanizmalarından biri – ve kesinlikle en ilgi çekici olanı – yaylar ve kümeler olarak gördüğümüz toz parçacıklarının sıvı girdapların merkezlerinde yoğunlaşmasıdır: esasen belirli bir dengesizlik tarafından tetiklenebilen küçük kasırgalar. gezegenler tarafından ata-gezegen disklerine oyulmuş boşlukların kenarları.”

Doktorası ile çalışmak. öğrenci Nicolas Cimerman, Rafikov bu yorumu, bir protogezegen diskinde bir girdap gözlemlenirse, bir gezegenin kütlesini veya yaşını sınırlamak için bir yöntem geliştirmek için kullandı. Sonuçları iki ayrı makalede yayınlanmak üzere kabul edildi. Royal Astronomical Society’nin Aylık Bildirimleri.

Rafikov, “Yıldızlarından uzakta olan daha küçük gezegenleri doğrudan görüntüleyerek incelemek son derece zordur: Bu, bir deniz fenerinin önünde ateş böceği görmeye çalışmak gibi olur” dedi. “Bu gezegenler hakkında bilgi edinmek için başka, farklı yöntemlere ihtiyacımız var.”

Yöntemlerini geliştirmek için, iki araştırmacı önce teorik olarak bir gezegenin diskte bir girdap üretmesi için gereken süreyi hesapladı. Daha sonra bu hesaplamaları, girdaplı disklerdeki gezegenlerin özelliklerini kısıtlamak için kullandılar ve temel olarak gezegenin kütlesi veya yaşı için daha düşük sınırlar belirlediler. Bu tekniklere gezegenlerin “vorteks tartımı” ve “vorteks tarihlemesi” diyorlar.

Büyüyen bir gezegen yeterince büyük hale geldiğinde, diskteki malzemeyi uzaklaştırmaya başlar ve diskte açıklayıcı bir boşluk oluşturur. Bu olduğunda, boşluğun dışındaki malzeme boşluğun içindeki malzemeden daha yoğun hale gelir. Boşluk derinleştikçe ve yoğunluktaki farklılıklar büyüdükçe, bir istikrarsızlık tetiklenebilir. Bu istikrarsızlık diski rahatsız eder ve sonunda bir girdap oluşturabilir.

Cimerman, “Zamanla, birden fazla girdap birleşerek ALMA ile gözlemlediğimiz yaylara benzeyen büyük bir yapıya dönüşebilir” dedi. Araştırmacılar girdapların oluşması için zamana ihtiyaç duyduğundan, yöntemlerinin gezegenin kütlesini ve yaşını belirlemeye yardımcı olabilecek bir saat gibi olduğunu söylüyorlar.

Rafikov, “Daha büyük kütleli gezegenler, daha güçlü yerçekimleri nedeniyle gelişimlerinin başlarında girdaplar üretirler, bu nedenle, gezegeni doğrudan göremesek bile girdapları gezegenin kütlesine bazı kısıtlamalar getirmek için kullanabiliriz” dedi.

Astronomlar spektrum, parlaklık ve hareket gibi çeşitli veri noktalarını kullanarak bir yıldızın yaklaşık yaşını belirleyebilirler. Bu bilgilerle Cambridge araştırmacıları, protogezegen diski oluştuğundan beri yıldızın etrafında yörüngede olabilecek bir gezegenin mümkün olan en düşük kütlesini hesapladılar ve ALMA tarafından görülebilen bir girdap üretebildiler. Bu, doğrudan gözlemlemeden gezegenin kütlesine daha düşük bir sınır koymalarına yardımcı oldu.

Araştırmacılar, bu tekniği girdapları çağrıştıran belirgin yaylara sahip bilinen birkaç bilinen protogezegen diskine uygulayarak, bu girdapları yaratan varsayılan gezegenlerin süper-Neptün aralığında en az onlarca Dünya kütlesine sahip olması gerektiğini keşfettiler.

Cimerman, “Günlük çalışmalarımda genellikle simülasyonları gerçekleştirmenin teknik yönlerine odaklanıyorum” dedi. “Her şey bir araya geldiğinde heyecan verici ve teorik bulgularımızı gerçek sistemler hakkında bir şeyler öğrenmek için kullanabiliriz.”

Rafikov, “Kısıtlamalarımız, bu sistemlerdeki gezegen özellikleri ve gezegen oluşum yolları hakkındaki anlayışımızı geliştirmek için diğer yöntemlerle sağlanan sınırlarla birleştirilebilir.” Dedi. “Diğer yıldız sistemlerindeki gezegen oluşumunu inceleyerek, kendi güneş sistemimizin nasıl geliştiği hakkında daha fazla şey öğrenebiliriz.”