Nowe obserwatorium, ciągle będące w budowie, umożliwiło astronomom dokonanie przełomu w zrozumieniu pobliskiego systemu planetarnego i dostarczyło cennych wskazówek dotyczących formowania i ewolucji tego typu układów. Astronomowie korzystający z Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) odkryli, że planety okrążające gwiazdę Fomalhaut są mniejsze niż dotychczas sądzono. Są to pierwsze opublikowane wyniki naukowe z ALMA w pierwszym, testowym okresie obserwacji, otwartym dla astronomów z całego świata.

Odkrycie było możliwe dzięki wyjątkowo ostrym obrazom z ALMA, przedstawiającym dysk (lub pierścień) pyłu wokół gwiazdy Fomalhaut, położonej 25 lat świetlnych od Ziemi. Pomogły one wyjaśnić kontrowersję związane z wcześniejszymi badaniami tego układu. Obrazy z ALMA pokazują, że oba brzegi (wewnętrzny i zewnętrzny) cienkiego, pyłowego dysku, są bardzo ostre. Fakt ten, w połączeniu z symulacjami komputerowymi, doprowadził naukowców do wniosku, że cząstki pyłu w dysku są w nim utrzymywane przez grawitacyjne efekty od dwóch planet – jednej znajdującej się bliżej gwiazdy niż dysk, oraz drugiej, bardziej odległej [1].

Obliczenia wskazują także na przypuszczalne rozmiary planet – większe niż Mars, ale nie przekraczające kilku rozmiarów Ziemi. To dużo mniej niż wcześniejsze przypuszczenia astronomów. W 2008 roku zdjęcie z Kosmicznego Teleskopu Hubble’a, należącego do NASA/ESA, wskazywało na istnienie wewnętrznej planety większej niż Saturn, który jest drugą pod względem wielkości planetą w Układzie Słonecznym. Jednak w późniejszych obserwacjach teleskopami podczerwonymi nie udało się wykryć planety.

Ta porażka spowodowała, że część astronomów poddawała w wątpliwość istnienie planety na zdjęciu z Teleskopu Hubble’a. Fotografia w zakresie widzialnym z tego teleskopu mogła wykryć małe ziarna pyłu odsunięte od gwiazdy poprzez jej promieniowanie, co mogło zatrzeć obraz dysku pyłowego. Natomiast obserwacje ALMA na dłuższych falach niż światło widzialne, śledzą większe ziarna pyłu – o średnicach po około 1 milimetra – które nie są przesuwane przez promieniowanie gwiazdy. Wyniki wyraźnie pokazują ostre brzegi dysku i strukturę podobną do pierścienia, co wskazuje na grawitacyjne efekty od dwóch planet.

„Połączenie dotyczących pierścieniowego kształtu obserwacji ALMA wraz z modelami komputerowymi, pozwala ustalić bardzo ciasne limity dla mas i orbit dowolnej planety w pobliżu pierścienia” powiedział Aaron Boley (stypendysta Sagan Fellow na University of Florida, USA). „Masy planet muszą być małe, inaczej planety zniszczyłyby pierścień” dodał. Naukowcy uważają, że niewielkie rozmiary planet tłumaczą dlaczego wcześniejsze obserwacje podczerwone nie wykryły tych obiektów.

Badania za pomocą ALMA pokazują, że długość pierścienia jest 16 razy większa niż odległość Ziemi od Słońca, natomiast grubość to zaledwie jedna siódma jego szerokości. „Pierścień jest węższy i cieńszy niż do tej pory sądzono” powiedział Matthew Payne, także z University of Florida.

Pierścień znajduje się około 140 razy dalej od swojej gwiazd niż dystans Ziemia-Słońce. W naszym Układzie Słonecznym Pluton znajduje się około 40 razy dalej od Słońca niż Ziemia. “Z powodu niewielkiego rozmiaru planet w pobliżu pierścienia i ich wielkiej odległości od gwiazdy, sądzimy, że należą do najchłodniejszych planet okrążających normalną gwiazdę” dodał Aaron Boley.

Naukowcy obserwowali system Fomalhaut we wrześniu i październiku 2011 roku, kiedy to funkcjonowała jedynie około jedna czwarta z planowanej liczby 66 anten ALMA. Gdy w przyszłym roku budowa zostanie zakończona, pełen system będzie miał znacznie większe możliwości. Ale nawet we wczesnej fazie naukowej ALMA jest wystarczająco potężnym instrumentem do poznawania struktur, które dotychczas były poza zasięgiem obserwatorów na falach milimetrowych.

„ALMA może i jest w trakcie budowy, ale jest już najpotężniejszym teleskopem swojego typu. To dopiero początek badań formowania dysków i planet wokół innych gwiazd” stwierdza Bill Dent (ALMA, Chile), astronom ESO oraz członek zespołu badawczego.

Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) jest międzynarodowym urządzeniem astronomicznym, które powstaje w partnerstwie pomiędzy Europą, Ameryką Północną i Azją Wschodnia, we współpracy z Chile. ALMA jest finansowana w Europie przez Europejskie Obserwatorium Południowe (ESO), w Ameryce Północnej przez U.S. National Science Foundation (NSF), we współpracy z National Research Council of Canada (NRC) oraz National Science Council of Taiwan (NSC), a w Azji Wschodniej przez National Institutes of Natural Sciences (NINS), we współpracy z Academia Sinica na Tajwanie. Konstrukcja i operowanie ALMA w imieniu Europy jest kierowane przez ESO, w imieniu Ameryki Północnej przez National Radio Astronomy Observatory (NRAO), zarządzane przez Associated Universities, Inc. (AUI), a w imieniu Azji Wschodniej przez National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ). Joint ALMA Observatory (JAO) umożliwia wspólne kierowanie i zarządzanie konstrukcją, testowaniem i operowaniem ALMA.

Uwagi

[1] Efekt utrzymywania ostrych brzegów dysku pyłowego przez planety lub księżyce został po raz pierwszy zaobserwowany gdy sonda Voyager przeleciała koło Saturna i wykonała dokładne zdjęcia systemu pierścieni tej planety. Jeden z pierścieni Urana jest utrzymywany przez księżyce Cordelia i Ophelia w dokładnie taki sam sposób, jaki obserwatorzy ALMA proponują dla dysku wokół gwiazdy Fomalhaut.

Księżyce lub planety wpływające na rodzaju pierścienie pyłowe, czynią to dzięki efektom grawitacyjnym. Planeta wewnątrz pierścienia okrąża gwiazdę szybciej niż cząstki pyłu w pierścieniu. Jej grawitacja dodaje energii cząstkom, oddalając je od gwiazdy. Z kolei planeta na zewnątrz pierścienia porusza się wolniej od cząstek pyłu i jej grawitacja zabiera od nich energię, powodują, że przesuwają się bliżej gwiazdy.

Tłumaczenie: Krzysztof Czart