26.03.2024. - Намеки на третью планету системе PDS 70

Намеки на третью планету системе PDS 70

Перепись экзопланет в настоящее время насчитывает 5599 подтвержденных открытий в 4163 звездных системах, и еще 10 157 кандидатов ожидают подтверждения. К настоящему времени подавляющее большинство из них было обнаружено с помощью косвенных методов, включая транзитную фотометрию (74,4%) и измерения лучевой скорости (19,4%). Только 19 (или 1,2%) были обнаружены с помощью прямой визуализации, метода, при котором для обнаружения и характеристики используется свет, отраженный от атмосферы или поверхности экзопланеты. Благодаря последнему поколению приборов с высокой контрастностью и высоким угловым разрешением ситуация начинает меняться. Это включает в себя космический телескоп Джеймса Уэбба и его сложные зеркала, а также усовершенствованный набор инфракрасных изображений. Используя данные, полученные с помощью камеры ближнего инфракрасного диапазона Уэбба (NIRCam), астрономы из программы MIRI mid-INfrared Disk Survey (MINDS) недавно изучили очень молодую переменную звезду (PDS 70) на расстоянии около 370 световых лет от нас с двумя подтвержденными протопланетами.

Изучив систему и ее расширенный диск из обломков, они обнаружили свидетельства третьей возможной протопланеты, вращающейся вокруг звезды. Эти наблюдения могут помочь продвинуть наше понимание планетных систем, которые все еще находятся в процессе формирования. Исследование MINDS survey - это международное сотрудничество, состоящее из астрономов и физиков из Института астрономии Макса Планка (MPIA), Астрономического института Каптейна, Института космических исследований Австрийской академии наук (OAW-IFW), Института внеземной физики Макса Планка (MPE), Centro de Astrobiologia (CAB), Национальный институт астрофизики (INAF), Дублинский институт перспективных исследований (DIAS), Нидерландский институт космических исследований SRON и множество университетов. Статья, описывающая их результаты, появится в журнале Astronomy & Astrophysics и в настоящее время доступна на сервере препринтов arXiv. PDS 70 стала предметом интереса в последние годы из-за ее молодого возраста (5,3-5,5 миллионов лет) и окружающего протопланетного диска. В период с 2018 по 2021 год было подтверждено наличие двух протопланет в промежутках этого диска на основе прямых данных визуализации, полученных с помощью современных наземных телескопов. Это включало спектро-поляриметрические высококонтрастные приборы для исследования экзопланет (SPHERE) и гравитационные приборы на очень большом телескопе ESO (VLT) и большой миллиметровой/субмиллиметровой антенной решетке Атакама (ALMA).

В последние годы команда MINDS использовала спектральные данные Уэбба для проведения инвентаризации химических веществ на протопланетных дисках в системах с несколькими звездами. В предыдущем исследовании, основанном на данных прибора Уэбба в среднем инфракрасном диапазоне (MIRI), команда MINDS обнаружила воду во внутреннем диске PDS 70, расположенном примерно в 160 миллионах км (100 миллионов миль) или 1,069 а.е. от звезды, находка, которая может иметь значение для астробиологии и происхождения жизни. вода на скалистых планетах (таких как Земля). Эти результаты продемонстрировали впечатляющие возможности Webb и то, как он может наблюдать космос в инфракрасном диапазоне длин волн, недоступном наземным обсерваториям. Валентин Кристианс, постдокторский исследователь F.R.S.-FNRS в Льежском университете и Университете Левена, был ведущим автором этой последней статьи. "Преимущество приборов Уэбба в том, что они наблюдают на инфракрасных длинах волн, которые невозможно наблюдать с земли из-за нашей атмосферы, поглощающей большую часть инфракрасного спектра", - сказал он Universe Today по электронной почте. "Благодаря Уэббу мы можем получать измерения формирующихся планет (называемых протопланетами) в инфракрасном диапазоне, что позволяет нам лучше ограничивать наши модели формирования планет".

В своем последнем исследовании команда MINDS изучила PDS 70, используя данные NIRCam Уэбба в рамках программы гарантированных временных наблюдений MIRI за формированием планет. Кристианс и его команда были заинтересованы в дальнейшем изучении PDS 70, поскольку предыдущие исследования указывали на возможное обнаружение третьей протопланеты. Это делает систему идеальной лабораторией для изучения взаимодействия планеты с диском и поиска сигнатур аккреции. Присутствие возможного третьего сигнала было обнаружено в 2019 году командой, использующей прибор VLT/SPHERE, но с тех пор оставалось неподтвержденным. Одной из возможных интерпретаций этого сигнала было то, что он прослеживает третью планету. Используя данные NIRCam, Кристианс и его коллеги попытались повторно обнаружить этот сигнал и подтвердить, что это была третья планета в системе. JWST особенно хорошо подходит для этой задачи благодаря своей усовершенствованной оптике и коронографу, который устраняет помехи на изображениях Уэбба, блокируя свет звезды. Ему и его коллегам также помогли продвинутые алгоритмы, которые помогают отделять звездный свет от других точечных источников на орбите (например, экзопланет) и дисков космического мусора. Как объяснил Кристианс:

"Наблюдение за другой звездой, называемой эталонной звездой, может быть использовано для вычитания света от интересующей звезды и поиска там экзопланет. В нашем исследовании мы вместо этого выбрали метод, называемый "вычитанием крена", при котором делаются две последовательности изображений интересующей звезды до и после поворота прибора соответственно, так что положение экзопланеты изменилось в двух последовательностях изображений. Оттуда, вычитая изображения одной последовательности из изображений другой, и наоборот, мы можем эффективно избавиться от света звезды и создать изображения ее окружения — планет и диска". Затем команда объединила свои измерения с предыдущими наблюдениями, сделанными с помощью наземных приборов, и сравнила их с моделями формирования планет. Исходя из этого, они смогли определить количество скопившегося газа и пыли вокруг протопланеты за период наблюдений. Качество изображений также позволило им выделить спиральный рукав газа и пыли, питающий второго подтвержденного кандидата (PDS 70 c), как и предсказывали модели. Наконец, они обнаружили яркий сигнал, соответствующий кандидату на протопланету, окутанную пылью.

"Что делает этого кандидата настолько интересным, так это то, что он может находиться в резонансе 1:2:4 с планетами b и c, уже подтвержденными в системе (т.е. его орбитальный период будет почти ровно в два раза и в четыре раза короче, чем у b и c соответственно)", - сказал Кристианс. Именно это происходит с тремя галилеевыми спутниками Юпитера (Ганимедом, Европой и Ио), которые также находятся в резонансе 1:2:4. Возможность существования звездной системы с тремя планетами в таком орбитальном соотношении была бы золотой жилой для астрономов. "Однако необходимы дополнительные наблюдения, прежде чем этот резонанс может быть подтвержден", - добавил Кристианс.

В дополнение к демонстрации возможностей Уэбба, эти результаты могли бы помочь дополнить наше текущее понимание того, как формируются и эволюционируют планетные системы. Это одна из главных целей JWST: использовать свою передовую инфракрасную оптику для исследования молодых звездных систем, где планеты все еще находятся в процессе формирования. Это было главным приоритетом для астрономов с тех пор, как "Кеплер" начал обнаруживать экзопланеты, которые бросали вызов общепринятым теориям о том, как формируются и эволюционируют планетные системы. В частности, обнаружение многих газовых гигантов, вращающихся близко к своим солнцам ("горячих Юпитеров"), противоречило теориям о том, что газовые гиганты формируются на окраинах звездных систем. Наблюдая за молодыми звездными системами на разных стадиях формирования, астрономы надеются проверить различные теории о том, как возникла Солнечная система.

Как резюмировал Кристианс, "Считается, что миграция планет играет решающую роль в эволюции планетных систем и помогает объяснить разнообразие систем, обнаруженных на сегодняшний день косвенными методами. Было обнаружено, что во многих зрелых системах планеты резонируют друг с другом, что позволяет предположить, что эта миграция действительно имела место в прошлом. В нашем случае мы наблюдаем очень молодую систему, все еще находящуюся в стадии формирования, где две известные планеты-гиганты, по-видимому, находятся в резонансе и где третья потенциальная планета, если это подтвердится, также будет находиться с двумя другими. В случае Солнечной системы мы подозреваем, что миграция и резонансный захват планет-гигантов, вероятно, также имели место очень давно, [что могло бы] объяснить их текущую конфигурацию (гипотеза Великого Галса). Здесь мы потенциально наблюдаем это вживую в другой системе!"

Источник