Согласно наиболее распространенной теории, планетные системы формируются из больших облаков пыли и газа, образующих диски вокруг молодых звезд. Со временем диски срастаются, образуя планеты разного размера, состава и расстояния от своей звезды.
За последние несколько десятилетий наблюдения в среднем и дальнем инфракрасном диапазоне привели к открытию дисков обломков вокруг молодых звезд (возрастом менее 100 миллионов лет). Это позволило астрономам изучить планетарные системы в их ранней истории, что дало новое представление о том, как системы формируются и развиваются.
Это включает в себя инфракрасный сферический обзор для консорциума экзопланет (SHINE), международной группы астрономов, занимающейся изучением формирующихся звездных систем. Используя Очень Большой Телескоп ESO (VLT), коллаборация SHINE недавно наблюдала и охарактеризовала обломочный диск звезды HD 114082 в видимом и инфракрасном диапазонах. В сочетании с данными космического спутника NASA Transiting Exoplanet Space Satellite (TESS) они смогли напрямую сфотографировать газовый гигант, во много раз превышающий размер Юпитера («супер-Юпитер»), находящийся в диск. Команду SHINE возглавляла доктор Наталья Энглер из Института физики элементарных частиц и астрофизики (IPA) ETH Zurich.
Команда использовала спектро-поляриметрический высококонтрастный прибор для исследования экзопланет (SPHERE) на VLT, чтобы получить оптические и ближние ИК-изображения HD 114082, звезды F-типа (желто-белый карлик), расположенная в ассоциации Скорпиона-Центавра — звездном скоплении, расположенном примерно в 310 световых годах от Земли. Как и 500 звезд, исследованных командой SHINE, HD 114082 — молодая звезда, окруженная протопланетным обломочным диском (из которого формируются планеты). Наблюдения за этими дисками в последние десятилетия показали, что они являются составной частью планетных систем:
Исследования датируются 1983 годом и открытием первого диска вокруг Веги. С тех пор были проведены десятки исследований в инфракрасном диапазоне и рассеянном свете с использованием космических телескопов, таких как космические обсерватории Гершеля и Хаббл, а также наземных телескопов, таких как Атакамская большая [антенная] решётка миллиметрового диапазона (ALMA), Gemini Planet Imager (GMI) и SPHERE/VLT. Как объяснила Наталья Энглер:
«Эти исследования предоставили ценную информацию о формировании и эволюции планетных систем, поскольку планеты образуются из пылевого материала, находятся в нем и взаимодействуют с ним. Молодые диски обломков (в первые сто миллионов лет) прослеживают процессы формирования земных планет, и таким образом, их изучение помогает понять динамическое взаимодействие и эволюцию планет земной группы, в частности Земли, в молодой Солнечной системе».
Используя Sphere, Энглер и ее команда наблюдали HD 114082 в оптическом и ближнем инфракрасном диапазоне, используя методы угловой дифференциальной визуализации (ADI) и поляриметрической дифференциальной визуализации (PDI). Первый состоит в получении высококонтрастных изображений с высотно-азимутального телескопа при выключенном поворотном устройстве инструмента, что позволяет инструменту и оптике телескопа оставаться выровненными, а поле зрения вращаться относительно инструмента. Последний включает в себя объединение различных поляризаций падающего света и измерение определенных компонентов поляризации, прошедших или рассеянных объектом.
Оба метода широко использовались при изучении околозвездных дисков обломков и выявили некоторые интересные факты о HD 114082:
«Наши изображения выявили яркий планетезимальный пояс на расстоянии 35 а.е. от звезды, очень похожий на пояс Койпера в Солнечной системе. Пояс обломков наклонен под углом 83° и имеет широкую внутреннюю полость. Частицы пыли, которые мы отслеживаем в этом наблюдении, имеют размеры около 5 микрон и относительно высокое альбедо рассеяния 0,65; это означает, что они рассеивают почти две трети поступающего звездного излучения и поглощают только одну его треть. Рассеянный свет имеет относительно низкую степень линейной поляризации с максимальным значением 17%, что сравнимо со значениями поляризации для кометной пыли в Солнечной системе».
Команда также проконсультировалась с данными TESS, чтобы подтвердить присутствие компаньона супер-Юпитера, который впервые был обнаружен обсерваторией в 2021 году с помощью транзитной фотометрии. В соответствии с этими данными ученые подтвердили, что планета вращается вокруг своей звезды примерно на 0,7 а.е. — примерно на таком же расстоянии Венера от Солнца. Недавние наблюдения, основанные на измерениях лучевой скорости, подтвердили существование этой планеты и дали оценки массы, примерно в 8 раз превышающие массу Юпитера.
«HD 114082 представляет собой пример молодых планетных систем, в которых наличие планетарных компаньонов у звезды было выведено из открытия диска обломков», — добавил Энглер. «Это подтверждает теоретические соображения о системах обломков как указателях для молодых планет. Изучение этой и других подобных планетных систем позволит астрономам установить связь между свойствами внесолнечных поясов Койпера и планет, находящихся внутри них».
Значение этого исследования выходит за рамки изучения молодых звезд и планетных систем, которые все еще находятся в стадии формирования. Они также важны для изучения Солнечной системы, которая имеет некоторые интересные параллели с такими протопланетными средами.
По словам Энглер: «Прямые исследования изображений последнего десятилетия показывают, что околозвездный материал во многих дисках обломков заключен в кольцеобразные структуры, подобные двум поясам обломков в Солнечной системе: поясу Эджворта-Койпера и главному поясу астероидов. Полости внутри внесолнечных поясов Койпера искривлены невидимыми планетами, которые оставляют отпечатки в распределении обломков пыли, такие как искривления, комки и эксцентриситеты пояса».
Это исследование демонстрирует растущее использование и эффективность прямых исследований изображений, которые возможны благодаря улучшенным инструментам, возможностям визуализации и методам обмена данными. В ближайшем будущем инструменты следующего поколения позволят проводить еще более точные и детальные исследования прямого изображения. К ним относятся космические обсерватории, такие как JWST и Римский космический телескоп Нэнси Грейс, а также наземные телескопы, такие как Чрезвычайно большой телескоп (ELT), Гигантский Магелланов телескоп и Тридцатиметровый телескоп (ТМТ).
Изучая геометрию и асимметричные особенности дисков обломков, астрономы могут предсказывать расположение и массы планет, которые еще не могут быть обнаружены современными инструментами. «Прямая визуализация позволяет изучать рассеивающие свойства частиц пыли вокруг далеких звезд. Эти свойства содержат информацию о составе, форме и размере частиц, и, таким образом, мы можем получить представление о составе строительных блоков экзопланет», добавила Энглер.