Cakram bintang mengungkapkan kepada kita rahasia kemunculan planet-planet

Gambar-gambar terperinci dari cakram-cakram yang berputar di sekitar bintang-bintang muda memberi tahu detail tentang penampilan tata surya.

[ dapat diklik ]

Selama dua setengah abad terakhir, para ilmuwan yang mencoba membayangkan penampakan sistem planet (termasuk kita) telah berkonsentrasi pada titik tertentu: piringan berputar di sekitar bintang yang baru lahir , di mana planet-planet dibentuk dari gas dan debu, seolah-olah dari tanah liat di atas roda tembikar.

Tetapi bagaimana dengan verifikasi eksperimental dari ide ini, penemuan nyata dari exoplanet yang saling menempel dari potongan materi yang berputar-putar? Sejauh ini, tidak berhasil. "Hari ini semua orang mengatakan bahwa planet-planet terbentuk dari cakram protoplanet," kata Rubin Dong , seorang astrofisika di Arizona University. "Tapi proposal ini, sebenarnya, adalah pernyataan teoretis."

Prestasi beberapa tahun terakhir menunjukkan bahwa itu tidak akan tetap teoritis lama. Menggunakan instrumen generasi kedua yang terletak di teleskop raksasa berbasis darat, beberapa tim akhirnya dapat memeriksa interior beberapa disk protoplanet, mengungkapkan gambar yang tak terduga dan misterius.

Pengamatan terbaru terjadi pada 11 April, ketika European Southern Observatory merilis delapan gambar cakram yang mengelilingi bintang-bintang muda seperti matahari, yang mungkin menunjukkan kepada kita seperti apa tata surya kita saat masih bayi.

Gambar-gambar tidak menunjukkan titik-titik cahaya yang jelas dan tidak ambigu yang akan mengindikasikan planet-planet. Tapi ini dan sistem lainnya masih mengandung, meskipun tidak langsung, petunjuk bahwa planet yang baru lahir mungkin bersembunyi di dalamnya. Beberapa disc terlihat seperti piringan hitam, dengan cincin dan celah yang bisa diukir oleh dunia muda. Pada cakram lain, bintang menyoroti permukaan atas dan bawah, membentuk struktur yang menyerupai yo-yo.

Jika para astronom dapat menemukan kuman planet di tempat seperti itu, keuntungannya akan signifikan. Ini tidak hanya membuktikan salah satu ide terdalam astronomi - pengukuran numerik dari tempat di mana planet ini terbentuk, dan ukurannya, akan segera membantu untuk menilai teori-teori yang bertikai tentang pembentukan planet.

Satu pendapat tentang pembentukan planet disebut pertambahan inti, dan mengatakan bahwa planet terbentuk perlahan, terakumulasi di sekitar inti batuan, di daerah yang dekat dengan bintang mereka. Teori lain mengacu pada ketidakstabilan gravitasi piringan, yang menunjukkan bahwa planet-planet raksasa dapat menggumpal dengan cepat, dan jauh dari bintang mereka. Sekarang ide-ide ini dapat diuji pada distribusi planet-planet yang diketahui di tata surya kita dan di sistem ekstrasurya. Tetapi mereka tidak pernah dipelajari dengan contoh proses yang sedang berlangsung, sebelum planet memiliki kesempatan untuk bermigrasi dan mengatur ulang pesanan mereka.

Ini memberikan para astronom mempelajari sistem ini tujuan yang belum selesai yang menyatukan. Lihatlah roda yang tumpul, jauh, bergerigi. Perburuan planet muda. Akhirnya, setelah berabad-abad antisipasi, mulai mengungkap proses dasar yang membentuk dunia di alam semesta.

Deteksi langsung

Dalam mencari planet di cakram protoplanet, mudah meyakinkan diri kita bahwa kita melihatnya. Para astronom yang mempelajari cakram-cakram ini telah memperhatikan banyak titik persembunyian cahaya di dalamnya. Misalnya, pada 6 Mei, sebuah kelompok internasional melaporkan tanda-tanda planet raksasa yang bersembunyi di sistem CS Chameleon. Tetapi untuk saat ini, poin-poin ini tetap menjadi kandidat untuk planet, dan tidak dikonfirmasi oleh dunia.


Sistem Chameleon CS menyembunyikan apa yang tampak seperti teman kecil - ditandai dengan lingkaran bertitik. Filter polarisasi khusus (gambar biru) memungkinkan untuk melihat disk debu dengan objek tersembunyi.

"Kami sekarang berada di garis depan teknologi," kata Catherine Folett , seorang astronom di Amherst College. "Mengenai planet-planet di dalam cakram, benar-benar semua kasus seperti itu adalah subyek perdebatan sengit."

Salah satu alat pencarian terkemuka adalah SPHERE , yang dipasang di Very Large Telescope di Chili, di Gurun Atacama. Dia mengambil delapan foto terakhir dari disk protoplanet. Yang lainnya, yang dijalankan Folett, adalah Gemini Planet Imager (GPI), alat yang bersaing yang terletak di gunung lain di Chili.


Disk yang mengelilingi TW Hydra memiliki cincin yang dapat mengungkapkan kepada kita planet-planet yang tersembunyi di sana.

Keduanya dirancang untuk menangkap foton yang berasal dari planet yang mengorbit bintang lain, tidak seperti kebanyakan studi planet ekstrasurya lainnya yang mengandalkan fitur tidak langsung. Keduanya menghasilkan data yang paling mudah untuk ditafsirkan setelah pelatihan pada sistem bintang yang lebih tua dan rapi, dengan disk sudah hilang.

Kamera-kamera ini membutuhkan kemampuan untuk memisahkan titik-titik cahaya redup dari bintang-bintang terang - itu seperti menemukan kunang-kunang duduk di tepi lampu sorot yang jauh. Mereka menggunakan optik adaptif , teknologi yang melacak fluktuasi atmosfer, dan memodifikasi optik sesuai kebutuhan untuk mengkompensasi distorsi. Ini mengimbangi efek dari udara Bumi yang gelisah, dan bintang-bintang dalam gambar berhenti berkedip, memberikan resolusi yang lebih baik. Mereka juga menggunakan coronograf untuk memotong cahaya yang datang dari bintang.

Selain itu, kamera ini, berburu planet, menggunakan trik lain - pencitraan diferensial. Misalnya, SPHERE secara bersamaan mengambil dua foto melalui filter terpolarisasi berbeda. Cahaya bintang tidak memiliki polarisasi, sehingga bintang di kedua gambar terlihat sama. Itu bisa dikurangkan. Tetapi ketika cahaya tersebar, itu terpolarisasi. Ini memungkinkan para astronom untuk mengisolasi foton yang dipantulkan dari cakram atau planet.

Kemudian algoritma mencari titik-titik dunia yang tersisa. Tetapi dalam kasus planet dalam disk, algoritma dapat membingungkan gumpalan dan awan dengan dunia baru.


Lingkaran konsentris yang mengelilingi bintang muda HD 163296 kemungkinan besar diciptakan oleh planet-planet dengan berat sekitar Saturnus, yang membersihkan seluruh area gas dan debu.

Folette dan rekannya telah menghabiskan beberapa tahun terakhir mencoba menganalisis sinyal-sinyal palsu ini. Mereka juga mempelajari kandidat planet misterius, termasuk yang tampaknya tidak bergerak dalam orbit di sekitar bintang induknya sesuai dengan hukum gerak Kepler , seperti semua planet normal.

Sementara itu, jalur lain ke planet terbuka. Meskipun SPHERE dan GPI tidak menemukan konfirmasi pasti tentang dunia yang muncul, mereka berhasil membuat foto-foto paling jelas dari disk protoplanet.

Ketika, akhirnya, kami melihat disk ini secara rinci, kami menemukan di dalamnya seluruh kebun binatang fitur aneh yang mungkin terkait dengan pembentukan planet. "Ini benar-benar mengubah keseluruhan gambar," kata Konstantin Batygin , seorang astrofisika di California Institute of Technology. "Ada revolusi."

Masalahnya terletak pada membandingkan fitur-fitur ini dengan planet yang diduga menyebabkannya. Dan ini cukup sulit. "Kita berbicara tentang disk sebagai tanda planet," kata Folette. "Tetapi jika ini adalah tanda-tanda planet, maka kita belum tahu bagaimana menafsirkannya."

Tempat lahir spiral

Perhatikan gambar menakjubkan, pertama kali ditemukan pada 2012 . Dalam setidaknya enam cakram protoplanet, sesuatu memuntir gas dan debu menjadi spiral menyerupai cangkang, atau lengan galaksi.


Disk protoplanet yang mengelilingi bintang muda HL Taurus memiliki banyak cincin konsentris. Para astronom percaya bahwa planet-planet dalam proses pembentukan memotong struktur kompleks di dalamnya.

Para astronom memiliki dua ide utama untuk menjelaskan apa yang menciptakan lengan spiral ini. Keduanya didasarkan pada teori lama, spiral galaksi tua. Menurut gagasan ini, gas dan debu berputar di sekitar bintang yang baru lahir, dan mulai menumpuk seperti kemacetan lalu lintas surgawi. Tetapi bagaimanapun, sesuatu harus menyebabkan gangguan primer.

Para astronom telah menyarankan bahwa pada bintang yang dikelilingi oleh piringan berat - seperti menimbang setidaknya seperempat dari bintang itu sendiri - bagian yang secara gravitasi tidak stabil dapat menyebabkan penumpukan material dalam bentuk lengan spiral. Tetapi para peneliti menemukan banyak cakram spiral, yang massanya jauh lebih kecil dari ambang ini, yang berarti bahwa beberapa mekanisme lain harus bekerja di sini.

Mungkin ada baiknya menyalahkan dalang yang tersembunyi. Pada 2015, sebuah tim yang dipimpin oleh Dong, seorang ahli astrofisika dari Arizona, menciptakan simulasi yang menunjukkan bagaimana planet raksasa, sedikit lebih besar dari Jupiter, dapat menyebabkan pusaran air berbentuk spiral muncul. Planet ini akan terletak langsung di ujung salah satu lengan, dan menyeret spiral di belakangnya sendiri, bergerak di orbit. Dalam hal ini, setiap spiral akan menjadi panah raksasa yang menunjuk ke korban - sebuah planet dalam proses asal.

Pada 2016, tim Dong menemukan bukti bahwa spiral ini dapat dihasilkan oleh tubuh masif. Dalam hal ini, objek awal bintang HD 100453 adalah bintang kerdil, yang lebih mudah dilihat daripada planet ini. Dan dia menjadi bukti kelayakan gagasan itu. "Setelah itu, orang mulai lebih mempercayai model ini," kata Dong.

Menemukan planet seperti itu di ujung lengan akan menutup benda ini, tetapi para astronom masih mengharapkannya. Dalam sebuah makalah baru - baru ini yang diterbitkan dalam The Astrophysical Journal Letters, sebuah tim yang dipimpin oleh Bean Wren , seorang peneliti di Johns Hopkins University, mengumpulkan dan menganalisis data pada spiral MWC 758, yang telah dikumpulkan selama lebih dari sepuluh tahun.


Lengan spiral yang mengelilingi bintang MWC 758 dapat dibuat oleh planet raksasa yang terletak di ujung salah satu lengan

Analisis Wren menunjukkan bahwa selama ini, ikal bisa berubah sedikit, sekitar 6/10 derajat setahun. Rotasi ini sesuai dengan planet raksasa di ujung lengan yang berputar setiap 600 tahun, kata Ren. Tetapi planet seperti itu, jika ada, masih bersembunyi dari kita.

Tentu saja, bahkan jika spiral terhubung secara unik dengan planet-planet, mereka tidak akan membawa kita ke semua dunia yang baru lahir. Dalam simulasi, hanya raksasa gas yang cukup kuat untuk membuat pola spiral. Dunia yang lebih kecil harus ditemukan dengan cara lain. Selain itu, tidak semua disk protoplanet memiliki spiral.

Misalnya, tidak ada foto SPHERE baru, disk yang terbentuk di sekitar bintang seperti matahari memiliki lengan spiral. Seperti dikatakan Henning Avenhaus dari Institut Astronomi Max Planck, ini menunjukkan bahwa penampilan spiral lebih efektif di sekitar bintang yang lebih masif. Tetapi mereka dan banyak cakram protoplanet lainnya menunjukkan sesuatu yang lain, lebih menjanjikan: istirahat.

Planet di celah-celah

Pada musim gugur 2014, para astronom yang memeriksa ALMA, satu set lempengan teleskop radio di Andes Chili, memutuskan untuk melatihnya pada piringan protoplanet yang paling masif yang bisa mereka temukan. Ketika gambar terakhir menunjukkan air mata dan cincin tebal dalam sistem HL Taurus ditampilkan, semua orang membeku.

"Dan kami menghabiskan sisa pertemuan berbicara tentang HL Taurus," kata Lucas Chiesa , seorang astronom di Universitas Diego Portales. Mempelajari kesenjangan, para ilmuwan berkumpul berpendapat tentang apakah mereka diciptakan oleh planet. Belakangan, para ilmuwan dengan ALMA memeriksa gambar dari sistem lain di dekatnya, TW Hydra, tempat celah yang sama terlihat bahkan lebih terinci. Tetapi tidak ada sistem yang bisa menyelesaikan perdebatan tentang apakah kerusakan itu disebabkan oleh planet-planet pembentuk, atau apa pun. "Masih ada perdebatan," kata Chiesa.


66 antena dari ALMA Observatory mempelajari langit di atasnya saat berada di Dataran Tinggi Chinantor di Andes Chili.

Seperti spiral, planet dan efek lainnya dapat mengubah bentuk gas. Sebuah planet selama ribuan dan jutaan tahun akan memotong alur di dalamnya. Saat bergerak di orbit, ia akan menarik materi disk ke dirinya sendiri, serta menyebarkannya dari orbit , meninggalkan potongan kosong.

Ukiran gravitasi ini harus kumulatif. Membuat spiral membutuhkan lebih dari Jupiter - tetapi dunia seukuran Neptunus, atau bahkan sekecil Bumi, dapat membuat takik yang nyata, kata Jeffrey Fang , seorang astrofisikawan di University of California di Berkeley.

"Semua planet ini memiliki potensi untuk menciptakan guntingan yang cukup dalam sehingga kita dapat dengan mudah melihatnya dengan alat saat ini," katanya. Yang penting, guntingan-guntingan ini mungkin satu-satunya kesempatan kita dalam waktu dekat untuk mempelajari pembentukan planet-planet kecil, yang bahkan akan lebih sulit untuk dilihat di cakram daripada ukuran Jupiter di dunia.

Apa yang bisa membuat bagian seperti itu, jika bukan planet? Medan magnet disk dapat membuat daerah dengan turbulensi, mempercepat materi dari area yang bisa menjadi "zona mati" magnetik kosong. Atau perubahan mendadak dalam komposisi kimia dapat menciptakan celah yang mirip dengan karya planet ini. Sebagai contoh, garis salju dari sistem bintang menandai batas antara cakram bagian dalam yang panas, di mana air berada dalam bentuk uap, dan cakram bagian luar, di mana air membeku menjadi butiran padat. Transisi serupa terjadi pada zat lain, misalnya, karbon monoksida dan amonia.

Kebingungan ini memaksa para astronom untuk mencari kunci jawaban. "Paling-paling, kita benar-benar akan melihat planet ini terpisah," kata Fang. Secara teknis, teknologi saat ini tidak akan dapat melihat planet itu sendiri, tetapi sebuah piringan material jatuh di sekeliling planet itu. Jika sinyal seperti itu dapat dikaitkan dengan spiral atau celah, ini akan membantu pengamat lebih baik membandingkan dunia baru dan properti disk satu sama lain.

Tunggu, mungkin tidak lama. "Foto-foto paling menarik yang saya lihat belum dipublikasikan," kata Chiesa, yang menolak untuk menjelaskan lebih lanjut. "Dalam beberapa bulan mendatang, kita bisa mengharapkan banyak hal yang sangat menarik untuk keluar."

Teleskop generasi selanjutnya juga harus dapat membantu. James Webb Space Telescope akan dapat melihat ke dalam cakram pada gelombang inframerah dan langsung menemukan planet-planet. Peluncurannya baru-baru ini ditunda lagi, kali ini untuk tahun 2020.


Teleskop yang sangat besar saat ini sedang dibangun di Chili akan menggunakan laser untuk membuat "bintang" buatan di atmosfer atas, yang akan memungkinkan para peneliti untuk menghapus kerlip langit.

Masalah menjebak proses pembentukan planet adalah "tantangan ilmiah yang sangat baik" untuk teleskop 30 meter, kata Bruce McIntosh dari Stanford University, yang mengelola tim GPI. Observatorium dengan ukuran ini, seperti teleskop yang sangat besar yang saat ini sedang dibangun di Chili, akan dapat melihat struktur yang lebih kecil di dalam disk protoplanet.

Dan ketika itu terjadi, mengakui pengamatan pembentukan planet akan menjadi "terobosan," kata Dong. Apa yang merupakan kisah matematika tentang kelahiran dunia akan dimainkan dalam waktu nyata, dalam data nyata. "Dan semua ini terkait dengan pertanyaan mendasar tentang asal kita sendiri."