Dysk protoplanetarny

(c) ALMA, CC BY 4.0
Obraz radiowy HL Tauri uzyskany w Atacama Large Millimeter Array[1][2].

Dysk protoplanetarny – obracający się wokół nowo powstałej gwiazdy typu T Tauri lub Herbig Ae / Be dysk złożony z gazu i pyłu. Dysk protoplanetarny może być również uznany za dysk akrecyjny dla tejże gwiazdy, ponieważ gazy i inny materiał z wewnętrznej krawędzi dysku może opadać na powierzchnię gwiazdy. Procesu tego nie należy mylić z procesem akrecyjnym skutkującym powstaniem samych planet. Zjonizowane dyski protoplanetarne nazywane są proplydami.

W lipcu 2018 r. opublikowane zostało pierwsze zdjęcie takiego dysku, zawierającego powstającą egzoplanetę, o nazwie PDS 70b[3][4][5].

Obserwacje

Tworzenie się dysków podczas formowania się gwiazdy poprzez zapadanie grawitacyjne jest nieuniknioną konsekwencją zachowania momentu pędu. Dysk protoplanetarny jest znacznie chłodniejszy od jego gwiazdy. Jest cieplejszy w pobliżu gwiazdy, a chłodniejszy na zewnątrz i ma znaczne rozmiary, w wyniku tego promieniowanie dysku w zakresie od mikrometrów do milimetrów jest znacznie silniejsze niż promieniowanie gwiazdy, deformując charakterystykę widmową gwiazdy. Odstępstwo widma promieniowania gwiazdy w tym zakresie od promieniowania ciała doskonale czarnego było pierwszą przesłanką świadczącą o tym, że gwiazdę otacza obłok znacznie chłodniejszej materii[6].

Dyski protoplanetarne i ich strukturę można zatem obserwować za pomocą teleskopów w podczerwieni i radioteleskopów, a badanie zależności długości fali i jasności od promienia umożliwia badanie struktury dysku. Dodatkowych informacji dostarcza promieniowanie gwiazdy, której dysk towarzyszy[6].

Obserwacje przed erą radioastronomii dostarczyły pewnej ilości danych, jednak dopiero wyniesiony na orbitę w 1983 r. satelita astronomiczny IRAS do przeglądu nieba w podczerwieni umożliwił przeprowadzenie pierwszych badań statystycznych dotyczących występowania dysków wokół gwiazd. Wkrótce potem pierwsze czułe detektory fal o długości milimetrowej wykazały, że wiele dysków zawierało duże ziarna pyłu z wystarczającą ilością materiału, aby uformować układy planetarne. Interferometria w podczerwieni umożliwiła potwierdzenie rotacji dysków (1987). Jednoznaczne dowody na spłaszczoną strukturę dysków pojawiły się dzięki obserwacjom optycznym za pomocą Kosmicznego Teleskopu Hubble’a, ukazując obrazy cieni dysków na jasnym tle mgławicy (1994). Tempo odkryć przyspieszyło w ciągu następnej dekady ze względu na wzrost czułości, rozdzielczości i zakresu obserwowanych fal. Obserwatorium kosmiczne w podczerwieni (ISO), a w szczególności Kosmiczny Teleskop Spitzera, znacznie rozszerzyły ilość danych o dyskach i centralnej gwieździe; masie, wieku, środowisku i stanie jej ewolucji. Wprowadzenie interferometrycznych matryc radarów submilimetrowych (SMA) (np. Very Large Array) rozszerzyło zakres badań na krótsze długości fal, w tym na reżim poniżej milimetrowy, zapewniając możliwość bardziej szczegółowego mapowania słabszych struktur. Potencjał do rozwiązywania podstawowych pytań dotyczących formowania dysków protoplanetarnych, a z nich planet, dostarczyły motywacji do opracowania nowych urządzeń pomiarowych, w tym Kosmiczne Obserwatorium Herschela i Atacama Large Millimeter Array (ALMA)[6].

Klasyfikacja młodych obiektów gwiazdowych

Obserwując obiekty gwiazdowe w podczerwieni, zauważono, że ich spektrum w podczerwieni nie odpowiada spektrum promieniowania ciała o określonej temperaturze, sugerowano, że są to obiekty przekształcające się w gwiazdy, określane jako młode obiekty gwiazdowe (en. Young Stellar Objects YSO). Lada i Wilking (1984) wprowadzili klasyfikację tych obiektów w oparciu o charakterystykę promieniowania w zakresie 2 do 25 μm. Obiekty podzielono na 3 klasy oznaczone I, II i III. Dalsze obserwacje widm rozszerzyły tę klasyfikację o klasę 0. Sekwencja klasowa naturalnie wpasowuje się w teoretyczne ramy obracającego się, zapadającego się obłoku z dyskiem[7].

Klasyfikując młode obiekty gwiazdowe uwzględnia się też występowanie w ich widmie promieniowania linii wodoru i w zakresie UV, świadczące o akrecji z dysku na gwiazdę. Część obiektów klasy II i III ma wyraźne objawy akrecji, a podział ten częściowo koreluje z podziałem na klasy II i III. W analizie stanu obiektu gwiazdowego uwzględnia się też położenie jego na diagramie H-R[7].

Dysk tworzy się bardzo wcześnie i szybko rośnie już gdy obiekt jest w klasie 0. W fazie klasy I przebywa przez około 0,5 mln lat. Otaczająca otoczka i silne odpływy materii mogą utrudniać pomiary właściwości dysku w tych wczesnych okresach. Obiekt przechodzi do klasy II, gdy ich centralne gwiazdy stają się widoczne optycznie. Mediana czasu życia dysku na tym etapie wynosi 2–3 mln lat, ale na tym etapie występuje znaczne zróżnicowanie w szybkości i sposobie ewolucji układu gwiazda-dysk[7].

Duże badania wykonane przez Kosmiczny Teleskop Spitzera zmapowały około 90% wszystkich obszarów gwiazdotwórczych w promieniu 500 pc od Słońca, a widma uzyskano dla ponad 2000 młodych obiektów gwiazdowych. Precyzja i przebadany zakres długości fal tych obserwacji pokazuje ogromną różnorodność dysków wokół młodych obiektów gwiazdowych oraz nieadekwatność charakteryzowania ich tylko na podstawie charakterystyki promieniowania w podczerwieni, szczególnie gdy dyski rozpraszają się i otwierają centralne otwory[7].

Powstawanie

Protogwiazdy powstają z obłoków molekularnych składających się głównie z wodoru. Gdy część obłoku molekularnego osiąga graniczny rozmiar, graniczną masę lub gęstość, zaczyna się zapadać pod wpływem własnej grawitacji. Gdy ten zapadający się obłok, zwany mgławicą słoneczną, staje się gęstszy, pierwotne ruchy gazu występujące w chmurze uśredniają się, obłok można traktować jako jednolitą, obracającą się chmurę. Zachowanie momentu pędu w kurczącym się obłoku zwiększa jego prędkość obrotową. Ten obrót powoduje, że chmura się spłaszcza, przybiera formę dysku. Dzieje się tak, ponieważ siła odśrodkowa działa w kierunku prostopadłym do osi obrotu; obłok zapada się szybciej z kierunków nie leżących w płaszczyźnie obrotu obłoku. Wewnątrz obłoku formuje się pierwsze stabilne jądro otoczone obłokiem gazu tak gęstym, że promieniowanie jądra i dysku nie przebija się przez niego, jest to obiekt klasy 0. Pomiary rozkładu emitowanej energii i pomiary spektroskopowe wskazują, że wewnątrz chmury jest już dysk[8]. Po zmniejszeniu się gęstości chmury otaczającej protogwiazdę, promieniowanie jej i dysku zaczyna być zauważalne w widmie promieniowania, obiekt jest zaliczany do klasy I. Scenariusze tworzenia się dysków, nie są jeszcze dokładnie poznane. Wiadomo, że dyski początkowo szybko rosną, ale później nie przybierają na masie i mają względnie wysoką temperaturę, co sugeruje, że następuje ich zapadanie się na protogwiazdę. Potwierdza to także obserwowany wybuchowe akrecje materii na protogwiazdę. Rozważany jest wpływ pola magnetycznego na utrzymanie stabilności dysku, ale zmierzone pole magnetyczne jest niewystarczające do zapewnienia lepkości rozpraszającej energię opadania. Dyski mają początkowo wysoką temperaturę, utrzymywaną w wyniku rozpraszania energii opadania na protogwiazdę. Powyższe fakty obserwacyjne oraz symulacje modeli teoretycznych wskazują, że dyski protoplanetarne na tym etapie nie są stabilne[8].

Rezultatem jest utworzenie się cienkiego dysku[9]. Ten kolaps trwa około 100 000 lat. Po tym czasie gwiazda osiąga temperaturę powierzchni podobną do gwiazdy z ciągu głównego o tej samej masie i staje się widoczna. Teraz jest gwiazdą typu T Tauri. Akrecja gazu na gwiazdę trwa przez kolejne 10 milionów lat[10], zanim dysk zniknie zdmuchnięty przez wiatr gwiazdowy młodej gwiazdy albo przestanie promieniować po zakończeniu akrecji. Najstarszy odkryty dotąd dysk protoplanetarny ma 25 milionów lat[11][12].

(c) ESA/Hubble, CC BY 4.0
Dysk protoplanetarny. Porównanie symulowanej spirali z danymi obserwacyjnymi[13].

Dyski protoplanetarne wokół gwiazd typu T Tauri różnią się od dysków otaczających główne ciała układów podwójnych pod względem ich wielkości i temperatury. Mają promień do 1000 AU, a tylko najbliższe gwieździe części osiągają temperatury powyżej 1000 K. Bardzo często towarzyszą im dżety.

Dyski protoplanetarne spostrzeżono wokół kilku młodych gwiazd w naszej galaktyce. Obserwacje wykonane przez Kosmiczny Teleskop Hubble’a wykazały, że w Mgławicy Oriona powstają proplydy i dyski protoplanetarne[14][15].

Układ planetarny

Dysk protoplanetarny otaczający młodą gwiazdę Elias 2-27, znajdującą się w odległości około 450 lat świetlnych[16].

Hipoteza powstawania Układu Słonecznego opisuje, w jaki sposób dyski protoplanetarne ewoluują w układy planetarne. Oddziaływania elektrostatyczne i grawitacyjne mogą powodować łączenie się pyłu i ziaren lodu w planetozymale. Stanowią one budulec zarówno planet skalistych, jak i gazowych olbrzymów[17][18].

Niektóre księżyce Jowisza, Saturna i Urana mogły powstać z mniejszych, okołoplanetarnych analogów dysków protoplanetarnych[19][20]. Tworzenie się planet i księżyców w geometrycznie cienkich, bogatych w gaz i pył dyskach jest powodem, dla którego planety są ułożone w płaszczyźnie ekliptyki. Dziesiątki milionów lat po powstaniu Układu Słonecznego, w promieniu kilku AU Układ Słoneczny prawdopodobnie zawierał dziesiątki ciał o wielkościach od Księżyca do Marsa, które zderzały się i łączyły w planety skaliste, które teraz obserwujemy.

Związek z biogenezą

(Zobacz także: Pochodzenie życia)

Na podstawie symulacji komputerowych złożone cząsteczki organiczne niezbędne do życia mogły powstać w dysku protoplanetarnym otaczających Słońce przed powstaniem Ziemi[21]. Według symulacji ten sam proces może zachodzić także wokół innych gwiazd, przy których powstają planety[21].

Przypisy

  1. Jonathan Webb, Planet formation captured in photo, „BBC News”, 6 listopada 2014 [dostęp 2020-01-23] (ang.).
  2. Birth of Planets Revealed in Astonishing Detail – NRAO: Revealing the Hidden Universe, web.archive.org, 6 listopada 2014 [dostęp 2020-01-23] [zarchiwizowane z adresu 2014-11-06].
  3. First confirmed image of newborn planet caught with ESO’s VLT, EurekAlert! [dostęp 2020-01-23] (ang.).
  4. Orbital and atmospheric characterization of the planet within thegap of the PDS 70 transition disk.
  5. Discovery of a planetary-mass companion within the gap of thetransition disk around PDS 70.
  6. a b c Williams i Cieza 2011 ↓, s. 2.
  7. a b c d Williams i Cieza 2011 ↓, s. 3–5.
  8. a b Williams i Cieza 2011 ↓, s. 5–7.
  9. J.E. Pringle, Accretion Discs in Astrophysics, „Annual Review of Astronomy and Astrophysics”, 19 (1), 1981, s. 137–160, DOI10.1146/annurev.aa.19.090181.001033, ISSN 0066-4146 [dostęp 2020-01-23].
  10. Eric E. Mamajek i inni, Constraining the Lifetime of Circumstellar Disks in the Terrestrial Planet Zone: A Mid-Infrared Survey of the 30 Myr old Tucana-Horologium Association, „The Astrophysical Journal”, 612 (1), 2004, s. 496, DOI10.1086/422550, ISSN 0004-637X [dostęp 2020-01-23] (ang.).
  11. Russel J. White, Lynne A. Hillenbrand, A Long-lived Accretion Disk around a Lithium-depleted Binary T Tauri Star, „The Astrophysical Journal Letters”, 621 (1), 2005, L65, DOI10.1086/428752, ISSN 1538-4357 [dostęp 2020-01-23] (ang.).
  12. Fraser Cain, Audio: Planetary Disk That Refuses to Grow Up, Universe Today, 3 sierpnia 2005 [dostęp 2020-01-23] (ang.).
  13. ESO, Protoplanetary Disk: Simulated Spiral Arm vs. Observational Data, www.spacetelescope.org [dostęp 2020-01-23] (ang.).
  14. L. Ricci, M. Robberto, D.R. Soderblom, The Hubble Space Telescope/Advanced Camera for Surveys Atlas of Protoplanetary Disks in the Great Orion Nebula, „The Astronomical Journal”, 136 (5), 2008, s. 2136–2151, DOI10.1088/0004-6256/136/5/2136, ISSN 1538-3881 [dostęp 2020-01-23] (ang.).
  15. C.R. O’dell, Kwan Wong, Hubble Space Telescope Mapping of the Orion Nebula. I. A Survey of Stars and Compact Objects, „AJ”, 111, 1996, s. 846, DOI10.1086/117832, ISSN 0004-6256, Bibcode1996AJ....111..846O [dostęp 2020-01-23] (ang.).
  16. ESO, Spirals with a tale to tell, www.eso.org [dostęp 2020-01-23] (ang.).
  17. Jack J. Lissauer i inni, Models of Jupiter’s growth incorporating thermal and hydrodynamic constraints, „Icarus”, 199 (2), 2009, s. 338–350, DOI10.1016/j.icarus.2008.10.004, ISSN 0019-1035 [dostęp 2020-01-23] (ang.).
  18. Gennaro D’Angelo i inni, Growth of Jupiter: Enhancement of core accretion by a voluminous low-mass envelope, „Icarus”, 241, 2014, s. 298–312, DOI10.1016/j.icarus.2014.06.029, ISSN 0019-1035 [dostęp 2020-01-23] (ang.).
  19. Robin M. Canup, William R. Ward, Origin of Europa and the Galilean Satellites, „Europa”, 2009, s. 59, Bibcode2009euro.book...59C, arXiv:0812.4995 [dostęp 2020-01-23] (ang.).
  20. Gennaro D’Angelo, Morris Podolak, Capture and Evolution of Planetesimals in Circumjovian Disks, „The Astrophysical Journal”, 806 (2), 2015, s. 203, DOI10.1088/0004-637X/806/2/203, ISSN 0004-637X, Bibcode2015ApJ...806..203D, arXiv:1504.04364 [dostęp 2020-01-23] (ang.).
  21. a b Clara Moskowitz 2012-03-29T18:03:19Z, Life’s Building Blocks May Have Formed in Dust Around Young Sun, Space.com [dostęp 2020-01-23] (ang.).

Bibliografia

Media użyte na tej stronie

Spirals with a Tale to Tell.jpg
Autor: B. Saxton (NRAO/AUI/NSF); ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Licencja: CC BY 4.0
This beautiful image, captured with the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) features a protoplanetary disc surrounding the young stellar object Elias 2-27, some 450 light years away. ALMA has discovered and observed plenty of protoplanetary discs, but this disc is special as it shows two distinct spiral arms, almost like a tiny version of a spiral galaxy.

Previously, astronomers noted compelling spiral features on the surfaces of protoplanetary discs, but it was unknown if these same spiral patterns also emerged deep within the disc where planet formation takes place. ALMA, for the first time, was able to peer deep into the mid-plane of a disk and discovered the clear signature of spiral density waves.

Nearest to the star, ALMA found a flat disc of dust, which extends to what would approximately be the orbit of Neptune in our own Solar System. Beyond that point, in the region analogous to our Kuiper Belt, ALMA detected a narrow band with significantly less dust, which may be an indication for planet in formation. Springing from the outer edge of this gap are the two sweeping spiral arms that extend more than 10 billion kilometers away from their host star. The discovery of spiral waves at these extreme distances may have implications on the theory of planet formation.

Paper detailing Elias 2-27: http://science.sciencemag.org/content/353/6307/1519.full
Protoplanetary Disk Simulated Spiral Arm vs Observational Data.jpg
(c) ESA/Hubble, CC BY 4.0
[Right] — Observations taken by the European Southern Observatory's Very Large Telescope show a protoplanetary disk around the young star MWC 758. The disk has two spiral arms that extend over 10 billion miles from the star. [Left] — A computer model reproduces the two-spiral-arm structure; the "x" is the location of a putative planet. The planet, which cannot be seen directly, probably excites the two spiral arms.
HL Tau protoplanetary disk.jpg
(c) ALMA, CC BY 4.0
ALMA image of the protoplanetary disc around HL Tauri - This is the sharpest image ever taken by ALMA — sharper than is routinely achieved in visible light with the NASA/ESA Hubble Space Telescope. It shows the protoplanetary disc surrounding the young star HL Tauri. These new ALMA observations reveal substructures within the disc that have never been seen before and even show the possible positions of planets forming in the dark patches within the system.

About the Object

Name:           HL Tauri
Type:           • Milky Way : Star : Circumstellar Material : Disk : Protoplanetary
                • X - Stars
Distance:       450 light years
Constellation:  Taurus

Coordinates

Position (RA):  4 31 38.37
Position (Dec): 18° 14' 0.99"
Field of view:  0.03 x 0.03 arcminutes
Orientation:    North is 0.0° left of vertical
.