Zaglądając na krawędź dysku protoplanetarnego

Zaglądając na krawędź dysku protoplanetarnegoOriginal Press Release
Wykorzystując oba 10-metrowe teleskopy Kecka astronomowie z Obserwatorium W.

Po tym, jak gaz zostanie złapany przez pole magnetyczne gwiazdy jest przepompowywany wzdłuż linii pola rozpiętych wysoko ponad i poniżej płaszczyzny dyski po czym uderza z ogromną prędkością w podbiegunowe regiony gwiazdy

Joshua Eisner

Interferometr Keck łączy oba 10-metrowe teleskopy tak, by współdziałały jak jedne ogromny teleskop o średnicy 85 metrów. Interferometr wykorzystuje specjalny instrument, zbudowany do pomiarów astrometrycznych, ASTA, aby wykonywać niezwykle precyzyjne pomiary położenia i ruchu gwiazd, gazu i pyłu. „W obecnym stanie ASTRA możemy badać młode gwiazdy i ich pyłowe dyski „- mówi Jullien Woillez kierujący badaniami ASTRA. -” W miarę jak będziemy go rozwijać zyskamy możliwość badania ruchu planet wokół starych gwiazd, czy ruchu gwiazd wokół czarnej dziury w centrum Galaktyki.”

Uzyskana rozdzielczość pozwoliła badać dyski protoplanetarne w odległości 1/10 jednostki astronomicznej od gwiazdy macierzystej – co odpowiada obserwacji z Dan Francisco gęsi dziobiącej ziarenko ryżu na Hawajach.

Protoplanetarne dyski powstają w obłokach molekularnych gdy cząstki gazu i pyłu zaczynają zapadać się pod wpływem grawitacji. Początkowo powoli wirując obłok gęstnieje i staje się coraz bardziej zwarty. Zachowanie momentu obrotowego powoduje że w miarę jak obłok kurczy się jego ruch wirowy przyspiesza. Siły odśrodkowe spłaszczają do do formy dysku, co ostatecznie prowadzi do powstania układu planet wirujących w zbliżonej płaszczyźnie.

Wykonując za pomocą interferometru Keck i instrumentu ASTRA pomiary światła emanującego z protoplanetarnych dysków w różnych zakresach widma astronomowie byli w stanie określić dystrybucję gazu (głównie wodoru) i pyłu w obrębie dysku w ten sposób określając jego budowę.

Astronomowie wiedzą, że gwiazdy zwiększają swoje masy w efekcie przyswajania części wodoru, który znajduje się w dysku, który je otacza w wyniku działania mechanizmu akrecji. Zespół naukowców chce lepiej zrozumieć jak materiał odkłada się na gwieździe, w wyniku działania mechanizmów, które do tej pory nie zostały precyzyjnie zmierzone.

W dyskach protoplanetarnych akrecja może zachodzić na dwa sposoby.

Według pierwszego scenariusza gaz jest przyswajany w miarę jak dociera z wewnętrznej krawędzi dysku bezpośredniu stykającego się z rozpaloną powierzchnią gwiazdy. Według drugiego, znacznie gwałtowniejszego scenariusza, pole magnetyczne gwiazdy odpycha gaz i powoduje powstanie przerwy między gwiazdą a dyskiem. Tutaj cząstki wodoru przemieszczają się wzdłuż linii pola magnetycznego ogrzewając się do ekstremalnych tematów i jonizując. „Po tym, jak gaz zostanie złapany przez pole magnetyczne gwiazdy jest przepompowywany wzdłuż linii pola rozpiętych wysoko ponad i poniżej płaszczyzny dyski po czym uderza z ogromną prędkością w podbiegunowe regiony gwiazdy „- mówi Eisner.

W tym piekle, w którym w każdej sekundzie uwalniana jest energia milionów bomb jądrowych z Horishimy część gazu jest wyrzucana z dysku w przestrzeń w postaci potężnego wiatru międzygwiezdnego. „W większości przypadków mogliśmy z powodzeniem wykazać, że część energii kinetycznej gazu była przekształcana w światło w pobliżu gwiazdy „- dodaje Eisnej wskazując, że jest to dowód działania drugiego, gwałtownego mechanizmu.

„W innych przypadkach widzieliśmy dowody wiatru wyrzucanego w przestrzeń wraz z materią opadającą na gwiazdę „- dodaje Eisner. -” Znaleźliśmy też jeden przykład, wokół bardzo masywnej gwiazdy, w którym dysk może sięgać powierzchni gwiazdy.”

Ponieważ gwiazdy są młode, mając zaledwie kilka milionów lat, będą w tej fazie istnieć jeszcze kolejne miliony lat. „W tym czasie być może powstaną pierwsze planety – gazowe olbrzymy podobne do Jowisza i Saturna – zużywając w miarę powstawania znaczną część materii dysku.” Skaliste planety, takie jak Ziemia, Wenus czy Mars powstaną znacznie później, choć ich zawiązki być może już powstają obecnie.

„Chcemy sprawdzić, czy możemy wykonać podobne pomiary dla cząstek organicznych i wody w dyskach protoplanernych „- kończy Eisner. -” To ta materia ma szansę dać początek planetom z warunkami pozwalającymi na istnienie życia.”

Źródła:

Zooming in on Infant Planetary Systems

Using both 10-meter Keck telescopes together, astronomers at the W. M. Keck Observatory have been able to peer deeper into proto-planetary disks, swirling clouds of gas and dust that feed the growing stars in their centers and eventually coalesce into new planetary systems.

The team studied 15 young Milky Way stars varying in mass between one half and ten times that of the Sun and used the Keck Interferometer to obtain extremely fine observations to pinpoint the location of the processes that occur right at the boundary between the stars and their surrounding disks, which sit 500 light years from Earth.

The Keck Interferometer combines both 10-meter Keck telescopes to act as an 85-meter telescope, and is a project funded by NASA, in a partnership between the Jet Propulsion Laboratory, the NASA Exoplanet Science Institute and the Keck Observatory. Four years ago, with a grant from the National Science Foundation, a quest began to expand the astrometric capability of the Keck Interferometer with a specifically engineered instrument named ASTRA, or ASTrometric and phase-Referenced Astronomy.

ASTRA aims to provide extremely precise measurements of the positions and movements of stars, gas and dust. “With it in its current state, we are going for young stars and their dust disks,” said Keck Observatory scientist Julien Woillez, co-investigator of the new research and lead of the ASTRA instrument. “As we improve ASTRA, we will soon have the capability to study the motion of planets around older stars, and even the motion of stars around the black hole at the center of our Galaxy.”

The resolution achieved in this study, which will be published in the July 20 Astrophysical Journal, allowed the team to observe proto-planetary disk material within 0.1 astronomical units, or nine million miles, of the target star. One astronomical unit is roughly 93 million miles, or the distance between the Sun and Earth. The precision measurements would be similar to standing on a rooftop in San Francisco and trying to observe a Nene goose nibbling on a grain of rice in Hawai’i.

Stars’ proto-planetary disks form in stellar nurseries when clouds of gas molecules and dust particles begin to collapse under the influence of gravity.  Initially rotating slowly, the cloud’s growing mass and gravity cause it to become denser and more compact. Preserving rotational momentum, the cloud begins to spin faster and shrinks, similar to a figure skater spinning faster as she pulls in her arms. The centrifugal force flattens the cloud into a spinning disk of swirling gas and dust — eventually giving rise to planets orbiting their star in roughly the same plane.

Measuring the light emanating from the proto-planetary disks at different wavelengths with the Keck Interferometer and manipulating it further with ASTRA, the astronomers were able to distinguish between the distributions of gas, mostly made up of hydrogen, and dust, thereby resolving the disk’s features.

Astronomers know that stars acquire mass by incorporating some of the hydrogen gas in the disk that surrounds them, in a process called accretion. The team wants to better understand how material accretes onto the star, a process that has never been measured directly, said Joshua Eisner of the University of Arizona and lead author of the paper.

In proto-planetary disks, accretion can happen in one of two ways.

In one scenario, gas is swallowed as it washes up right to the fiery surface of the star. In the second, much more violent scenario, the magnetic fields sweeping from the star push back the approaching gas and cause it to bunch up, creating a gap between the star and its surrounding disk. Rather than lapping at the star’s surface, the hydrogen molecules travel along the magnetic field lines as if on a highway, becoming super-heated and ionized in this process.

“Once trapped in the star’s magnetic field, the gas is being funneled along the field lines arching out high above and below the disk’s plane,” Eisner explained. “The material then crashes into the star’s polar regions at high velocities.”

In this inferno, which releases the energy of millions of Hiroshima-sized atomic bombs every second, some of the arching gas flow is ejected from the disk and spews out far into space as interstellar wind.

“We could successfully discern that in most cases, the gas converts some of its kinetic energy into light very close to the stars,” he said, a tell-tale sign of the more violent accretion scenario.

“In other cases, we saw evidence of winds launched into space together with material accreting on the star,” Eisner added. “We even found an example—around a very high-mass star—in which the disk may reach all the way to the stellar surface.”

Because the disks are young, only a few million years, they will be around for a few more millions of years. “By that time, the first planets, gas giants similar to Jupiter and Saturn, may form, using up a lot of the disk material.”

More solid, rocky planets like the Earth, Venus or Mars, won’t be around until much later.

The building blocks for those more terrestrial planets could be forming now, he added, which is why this research is important for our understanding of how planetary systems form, including those with potentially habitable planets like Earth.

“We are going to see if we can make similar measurements of organic molecules and water in proto-planetary disks,” Eisner said. “Those would be the ones potentially giving rise to planets with the conditions to harbor life.”

The W. M. Keck Observatory operates two 10-meter optical/infrared telescopes on the summit of Mauna Kea on the island of Hawai’i and is a scientific partnership of the California Institute of Technology, the University of California, and NASA. For more information please call 808.881.3827 or visit http://www.keckobservatory.org.

Written by admin

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *