Οι παράξενες, κακοσχηματισμένες τροχιές των δίσκων που σχηματίζουν πλανήτες σε ένα σύστημα τριών αστέρων
Με ό,τι μεγαλώνουμε, το θεωρούμε φυσιολογικό. Το μοναδικό μοναχικό κίτρινο αστέρι μας μας φαίνεται φυσιολογικό, με πλανήτες να περιφέρονται στην ίδια, ευθυγραμμισμένη εκλειπτική. Αλλά τα περισσότερα αστέρια δεν είναι μόνοι. οι περισσότεροι βρίσκονται σε δυαδικές σχέσεις. Και μερικά είναι σε συστήματα τριών αστέρων.
Και οι δίσκοι που σχηματίζουν πλανήτες γύρω από αυτά τα συστήματα τριών αστέρων μπορούν να παρουσιάσουν κάποιες κακοσχηματισμένες τροχιές.
Δύο ομάδες αστρονόμων που χρησιμοποιούν τη συστοιχία Atacama Large Millimeter/sub-millimeter Array (ALMA) εξέτασαν ένα νεαρό ηλιακό σύστημα που ονομάζεται GW Orionis (GW Ori) που περιέχει τρία αστέρια. Ανακάλυψαν ότι οι τροχιές των νεαρών πλανητών που σχηματίζονται ακόμη σε αυτό το σύστημα είναι παράξενες και παραμορφωμένες. Οι τροχιές τους είναι πολύ διαφορετικές από τους πλανήτες στο δικό μας ηλιακό σύστημα.
Η πρώτη μελέτη που παρουσιάζει αυτά τα ευρήματα τιτλοφορείται « GW Ori: Αλληλεπιδράσεις μεταξύ ενός συστήματος τριπλού αστεριού και του κυκλικού του δίσκου σε δράση .» Δημοσιεύεται στο The Astrophysical Journal Letters και ο κύριος συγγραφέας είναι ο Jiaqing Bi του Πανεπιστημίου της Βικτώριας στον Καναδά.
Η δεύτερη μελέτη έχει τίτλο « Σύστημα τριπλού αστεριού με κακώς ευθυγραμμισμένο και στρεβλό περιστρεφόμενο δίσκο που διαμορφώνεται από σχίσιμο δίσκου .» Ο κύριος συγγραφέας είναι ο Stefan Kraus από το Πανεπιστήμιο του Exeter στο Ηνωμένο Βασίλειο. Δημοσιεύεται στο περιοδικό Science.
GW Orionis είναι ένα σύστημα τριών αστέρων περίπου 1310 έτη φωτός μακριά. Και τα τρία αστέρια του συστήματος είναι αστέρια T-Tauri, ηλικίας μικρότερης των 10 εκατομμυρίων ετών, κάτι που είναι πολύ νέο για αστέρια. Ως εκ τούτου, οι πλανήτες του συστήματος εξακολουθούν να σχηματίζονται μέσα σε έναν παχύ δακτύλιο σκόνης. Το ALMA έχει τη δυνατότητα να κοιτάζει μέσα σε όλη αυτή τη σκόνη και να παρακολουθεί καθώς το σύστημα παίρνει μορφή.
Αυτό το διάγραμμα δείχνει τη θέση του τριπλού συστήματος GW Orionis στον αστερισμό του Ωρίωνα (Ο Κυνηγός). Ο χάρτης περιλαμβάνει τα περισσότερα από τα αστέρια που είναι ορατά με γυμνό μάτι υπό καλές συνθήκες και η θέση του GW Orionis υποδεικνύεται με μια κόκκινη κουκκίδα.
Πίστωση: NRAO/AUI/NSF, IAU, Sky & Telescope
Μέσα στο σύστημα GW Ori, οι τροχιές των πλανητών δεν είναι ευθυγραμμισμένες με τις τροχιές των αστεριών. Αυτές οι στραβές τροχιές ξεκινούν στο πρωτοπλανητικοί δίσκοι που γεννούν τους πλανήτες. Μελετώντας αυτούς τους στραβούς δίσκους γύρω από πολλαπλά αστρικά συστήματα, οι επιστήμονες ελπίζουν να μάθουν περισσότερα για τη διαδικασία σχηματισμού πλανητών.
Το GW Ori είναι ένα πολύπλοκο σύστημα, με δύο εσωτερικά αστέρια και ένα εξωτερικό αστέρι. Τα δύο εσωτερικά αστέρια, που ονομάζονται GW Ori A και GW Ori B, περιφέρονται το ένα γύρω από το άλλο σε απόσταση περίπου 1 αστρονομικής μονάδας. Το εξωτερικό αστέρι, GW Ori C, περιφέρεται γύρω από τα δύο εσωτερικά αστέρια σε απόσταση περίπου 8 au.
ΨΥΧΗ Οι παρατηρήσεις έδειξαν τρεις ξεχωριστούς δακτυλίους στον τεράστιο δίσκο σχηματισμού πλανητών του GW Ori. Καθένα από τα τρία έχει διαφορετικό προσανατολισμό. Απέχουν περίπου 46, 185 και 340 au από το κέντρο. Ο εσωτερικός δακτύλιος δεν είναι ευθυγραμμισμένος σε σχέση με τους άλλους δύο, και με τα ίδια τα αστέρια. Ο εξωτερικός δακτύλιος είναι αξιοσημείωτος επειδή είναι ο πιο απομακρυσμένος που έχει παρατηρηθεί ποτέ από το αστέρι του στις 340 au. Στο Ηλιακό μας Σύστημα, ο εξωτερικός πλανήτης Ποσειδώνας απέχει μόνο περίπου 30 au από τον Ήλιο. Οι δίσκοι περιέχουν επίσης πολλή σκόνη. Οι ομάδες του Bi λένε ότι οι δίσκοι έχουν υπολογίσει μάζες σκόνης 74, 168 και 245 μάζες της Γης, αντίστοιχα.
Το ALMA εντόπισε για πρώτη φορά την άμορφη τροχιά στο GW Ori το 2017. Οι επακόλουθες παρατηρήσεις επιβεβαίωσαν τη στριμμένη τροχιά. «Εκπλαγήκαμε όταν είδαμε την έντονη κακή ευθυγράμμιση του εσωτερικού δακτυλίου», είπε ο Jiaqing Bi σε ένα δελτίο τύπου . «Αλλά το περίεργο στημόνι στο δίσκο επιβεβαιώνεται από ένα στριμμένο σχέδιο που μέτρησε η ALMA στο αέριο του δίσκου».
Ένα σχήμα από τη μελέτη με επικεφαλής τον Jiaquing Bi. Υπογραμμίζει τη συστροφή που παρατηρείται στο αέριο στο σύστημα GW Ori. Πίστωση εικόνας: Bi et al, 2020.
Η δεύτερη ερευνητική ομάδα, με επικεφαλής τον Stefan Kraus στο Πανεπιστήμιο του Exeter, χρησιμοποίησε το ALMA και το Very Large Telescope (VLT) του ESO για να παρατηρήσει το σύστημα GW Ori. Λένε ότι η σκιά που ρίχνει ο εσωτερικός δακτύλιος στον εξωτερικό δίσκο. Βρήκαν επίσης θερμό αέριο στην εσωτερική άκρη του περίεργου σχήματος δακτυλίου.
«Στις εικόνες μας, βλέπουμε τη σκιά του εσωτερικού δακτυλίου στον εξωτερικό δίσκο. Ταυτόχρονα, το ALMA μας επέτρεψε να μετρήσουμε το ακριβές σχήμα του δαχτυλιδιού που ρίχνει τη σκιά. Ο συνδυασμός αυτών των πληροφοριών μας επιτρέπει να εξαγάγουμε τον τρισδιάστατο προσανατολισμό του κακώς ευθυγραμμισμένου δακτυλίου και της στρεβλωμένης επιφάνειας του δίσκου», είπε ο Kraus στο ίδιο δελτίο τύπου .
Το ALMA, στο οποίο ο ESO είναι συνεργάτης, και το όργανο SPHERE στο Πολύ Μεγάλο Τηλεσκόπιο του ESO απαθανάτισαν το GW Orionis, ένα σύστημα τριών αστέρων με μια περίεργη εσωτερική περιοχή. Σε αντίθεση με τους επίπεδους δίσκους σχηματισμού πλανητών που βλέπουμε γύρω από πολλά αστέρια, το GW Orionis διαθέτει έναν στρεβλό δίσκο, που παραμορφώνεται από τις κινήσεις των τριών αστέρων στο κέντρο του. Αυτή η σύνθετη εικόνα δείχνει τόσο τις παρατηρήσεις ALMA όσο και SPHERE του δίσκου. Η εικόνα ALMA δείχνει τη δακτυλιοειδή δομή του δίσκου, με τον πιο εσωτερικό δακτύλιο (μέρος του οποίου είναι ορατό ως επιμήκης κουκκίδα στο κέντρο της εικόνας) χωρισμένο από τον υπόλοιπο δίσκο. Οι παρατηρήσεις SPHERE επέτρεψαν στους αστρονόμους να δουν για πρώτη φορά τη σκιά αυτού του πιο εσώτερου δακτυλίου στο υπόλοιπο δίσκο, κάτι που τους επέτρεψε να ανακατασκευάσουν το στρεβλό του σχήμα. Πίστωση εικόνας: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), ESO/Exeter/Kraus et al.
Τα τρία αστέρια και οι τροχιές τους παίζουν κρίσιμο ρόλο στη διαμόρφωση των τροχιών των πλανητών. Οι αστρονόμοι τα παρατηρούν σε διαφορετικά μήκη κύματος εδώ και 11 χρόνια. Αυτό καλύπτει μια πλήρη τροχιακή περίοδο.
Αυτά τα δεδομένα παρατήρησης 11 ετών έδειξαν ότι τα αστέρια δεν είναι ευθυγραμμισμένα μεταξύ τους, ούτε είναι ευθυγραμμισμένα με το δίσκο. Στην εργασία τους, η ομάδα του Bi εξηγεί ότι «Το δυαδικό A–B και το στοιχείο C μπορούν να θεωρηθούν δυναμικά ως δυαδικό AB–C. Η εκκεντρότητα του περιφερικού δίσκου μπορεί να αυξηθεί μέσω συντονιστικών αλληλεπιδράσεων με το δυαδικό». Στην εργασία της ομάδας Kraus, οι συγγραφείς γράφουν ότι «Οι τροχιές του εσωτερικού ζεύγους (A-B) και του τριτογενούς (AB-C) έχουν κλίση 13,9 ± 1,1 μοίρες η μία από την άλλη».
«Αυτό αποδείχθηκε κρίσιμο για να κατανοήσουμε πώς τα αστέρια διαμορφώνουν τον δίσκο», είπε το μέλος της ομάδας John Monnier από το Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν.
Σχηματικό διάγραμμα από την έρευνα της ομάδας Bi που δείχνει την προτεινόμενη γεωμετρία του συστήματος. Τροχιακά επίπεδα του δυαδικού AB-C (κόκκινο), του εσωτερικού δακτυλίου σκόνης (πορτοκαλί), του κενού μεταξύ του εσωτερικού και του μεσαίου δακτυλίου σκόνης (λευκές κουκκίδες), του μεσαίου δακτυλίου σκόνης (πράσινο) και του εξωτερικού δακτυλίου σκόνης (μπλε) σημειώνονται μέσα προς τα έξω. Ο αριστερός πίνακας είναι μια προβολή που προβάλλεται στον ουρανό και στο δεξιό πλαίσιο το δυαδικό είναι σε άκρη. Το μέγεθος των στοιχείων του δίσκου δεν είναι σε κλίμακα. Πίστωση εικόνας: Bi et al, 2020.
Και οι δύο ερευνητικές ομάδες στράφηκαν στη συνέχεια σε προσομοιώσεις υπολογιστή για μια λεπτομερή διερεύνηση του συστήματος και τι ακριβώς προκαλεί αυτές τις κακοσχηματισμένες τροχιές.
Κάθε ομάδα έβγαζε τα δικά της αποτελέσματα.
Αναπαράσταση της δομής του δίσκου και της αστρικής τροχιάς του τριπλού συστήματος GW Orionis, όπως προκύπτει από τις παρατηρήσεις ALMA και VLT από τους Kraus et al. Οι πορτοκαλί δακτύλιοι είναι οι (κακώς ευθυγραμμισμένοι) δακτύλιοι που βλέπει η ALMA. Οι διαφανείς επιφάνειες αντιστοιχούν στα νημάτια σκόνης χαμηλότερης πυκνότητας που συνδέουν τους δακτυλίους και που κυριαρχούν στην εκπομπή στο διάσπαρτο φως.
Credit: Kraus et αϊ, 2020?. NRAO / AUI / NSF
Για τον Kraus και την ομάδα του, οι προσομοιώσεις έδειξαν ότι το «φαινόμενο σχίσιμο δίσκου» παίζει στο GW Ori. Δείχνει ότι η βαρυτική έλξη των τριών αστέρων που περιφέρονται σε διαφορετικά επίπεδα μπορεί να παραμορφώσει και να σπάσει τους δίσκους. Καθώς τα τρία αστέρια κινούνται μέσω των κακώς ευθυγραμμισμένων τροχιών τους, η παλιρροιακή ροπή σπάει τον περιαστρικό δίσκο σε τρία διακριτά, δακτυλίους επεξεργασίας . «Τα αποτελέσματά μας δείχνουν ότι το σχίσιμο του δίσκου συμβαίνει σε συστήματα νέων πολλαπλών αστέρων και ότι είναι ένας βιώσιμος μηχανισμός για την παραγωγή στρεβλωμένων δίσκων και κακώς ευθυγραμμισμένων δακτυλίων δίσκων που μπορούν να προεξέχουν γύρω από το εσωτερικό δυαδικό σύστημα», γράφουν στην εργασία τους.
Ο Kraus και οι συνάδελφοί του λένε επίσης ότι το φαινόμενο σχίσιμο του δίσκου μπορεί να υποκινήσει τον σχηματισμό πλανητών. «Με τη μεταφορά υλικού έξω από το επίπεδο του δίσκου, το φαινόμενο σχίσιμο του δίσκου θα μπορούσε να παρέχει έναν μηχανισμό για το σχηματισμό πλανητών σε λοξές ή ανάδρομες τροχιές (σε τροχιά προς την αντίθετη κατεύθυνση
στον τροχιακό άξονα ή/και στους άξονες περιστροφής των άστρων)», γράφουν.
Αλλά η ομάδα του Jiaquing Bi κατέληξε σε ένα διαφορετικό συμπέρασμα: την παρουσία ενός αόρατου πλανήτη.
«Πιστεύουμε ότι η παρουσία ενός πλανήτη ανάμεσα σε αυτούς τους δακτυλίους είναι απαραίτητη για να εξηγήσει γιατί ο δίσκος σκίστηκε».
Μέλος της ομάδας Nienke van der Marel του Πανεπιστημίου της Βικτώριας.
Η ομάδα του Bi λέει ότι ο εσωτερικός, ο μεσαίος και ο εξωτερικός δακτύλιος πιθανότατα δεν είναι ευθυγραμμισμένοι κατά ~11, 35 και 40 μοίρες ως προς το τροχιακό επίπεδο του δυαδικού συστήματος GW Ori AB-C, αντίστοιχα. Οι προσομοιώσεις τους έδειξαν ότι η βαρύτητα από τα αστέρια δεν είναι αρκετή για να εξηγήσει την κακή ευθυγράμμιση μεταξύ του εσωτερικού και του μεσαίου δακτυλίου. «Οι προσομοιώσεις μας δείχνουν ότι η βαρυτική έλξη από τα τριπλά αστέρια από μόνη της δεν μπορεί να εξηγήσει την παρατηρούμενη μεγάλη κακή ευθυγράμμιση. Πιστεύουμε ότι η παρουσία ενός πλανήτη ανάμεσα σε αυτούς τους δακτυλίους είναι απαραίτητη για να εξηγήσει γιατί ο δίσκος σκίστηκε», δήλωσε το μέλος της ομάδας Nienke van der Marel από το Πανεπιστήμιο της Βικτώριας. «Αυτός ο πλανήτης πιθανότατα έχει χαράξει ένα κενό σκόνης και έχει σπάσει τον δίσκο στη θέση του τρέχοντος εσωτερικού και εξωτερικού δακτυλίου», πρόσθεσε.
Είναι ενδιαφέρον ότι ο Kraus και η ομάδα του δεν αποκλείουν έναν πλανήτη ως αιτία. «Ο εσωτερικός δακτύλιος περιέχει αρκετή σκόνη για να δημιουργηθούν 30 Γη, η οποία είναι επαρκής για να σχηματιστεί ένας πλανήτης στον δακτύλιο». Στην πραγματικότητα, κάθε ένας από τους δακτυλίους σκόνης περιέχει αρκετό υλικό για τους πυρήνες αρκετών γιγάντων πλανητών.
Εικόνες ALMA του δίσκου σχηματισμού πλανητών με κακώς ευθυγραμμισμένους δακτυλίους γύρω από το σύστημα τριών αστέρων GW Orionis. Η εικόνα στα δεξιά είναι φτιαγμένη με δεδομένα ALMA που ελήφθησαν το 2017 από τους Bi et al. Η εικόνα στα αριστερά είναι φτιαγμένη με δεδομένα ALMA που ελήφθησαν το 2018 από τους Kraus et al.
Πιστώσεις: ALMA (ESO / NAOJ / NRAO), S. Kraus & J. Bi; NRAO / AUI / NSF, S. Dagnello
Προς το παρόν, εξακολουθεί να υπάρχει αβεβαιότητα σχετικά με το σύστημα GW Ori. Μία από τις ερωτήσεις αφορά τους μη παρατηρούμενους συνοδούς στο δίσκο.
«Οι δακτύλιοι σκόνης και τα κενά έχουν αποδειχθεί ότι είναι κοινά σε πρωτοπλανητικούς δίσκους και μια από τις πιο συναρπαστικές υποθέσεις είναι ότι παράγονται από ενσωματωμένους συντρόφους που κυμαίνονται από αστρική μάζα μέχρι υπερ-Γη», γράφουν η Bi και οι συνεργάτες της στο το χαρτί τους. «Συγκεκριμένα, ένας σύντροφος μπορεί να ανοίγει το κενό μεταξύ του εσωτερικού και του μεσαίου δακτυλίου και να σπάει τον δίσκο εκεί. Συνοδοιπόροι σε εκατοντάδες αστρονομικές μονάδες από τα αστέρια υποδοχής τους έχουν βρεθεί στο παρελθόν».
Εάν υπάρχει ένας αόρατος σύντροφος, οι διαδικασίες σχηματισμού και μετανάστευσης είναι ασαφείς. Και αν οι αστρονόμοι βρουν ένα στο σύστημα, θα είναι πρώτα ένα άλλο. «Εάν οι δακτύλιοι σκόνης του GW Ori βρίσκονται στη διαδικασία σχηματισμού συντρόφων, θα υπάρχουν κυκλικοί σύντροφοι, οι οποίοι δεν έχουν βρεθεί πριν (εξαιρουμένων των τετραπλών συστημάτων). Το σύστημα θα προσφέρει άμεσες ενδείξεις για το σχηματισμό μακρινών συντρόφων», γράφουν ο Bi και οι συνεργάτες του.
Περισσότερο:
- Δελτίο τύπου: Η ALMA ανακαλύπτει κακώς ευθυγραμμισμένους δακτυλίους σε δίσκο που σχηματίζει πλανήτες γύρω από τριπλά αστέρια
- Ερευνα: GW Ori: Αλληλεπιδράσεις μεταξύ ενός συστήματος τριπλού αστεριού και του κυκλικού του δίσκου σε δράση
- Ερευνα: Σύστημα τριπλού αστεριού με κακώς ευθυγραμμισμένο και στρεβλό περιστρεφόμενο δίσκο που διαμορφώνεται από σχίσιμο δίσκου
- Σύμπαν σήμερα: Περισσότερες εικόνες από δίσκους που σχηματίζουν πλανήτες γύρω από νεαρά αστέρια