Một cấu trúc ba vòng trong khu vực hình thành hành tinh của đĩa hoàn cảnh nơi khoáng sản và kim loại đóng vai trò là kho lưu trữ các khối xây dựng hành tinh.

Một nhóm nghiên cứu, bao gồm các nhà thiên văn học từ Viện Thiên văn học Max Planck (MPIA), đã phát hiện ra cấu trúc vườn ươm hành tinh ba vòng trong đĩa hình thành hành tinh bên trong của một ngôi sao trẻ. Cấu hình này gợi ý hai sao Mộc– Các hành tinh có khối lượng lớn ở khoảng trống giữa các vòng. Phân tích chi tiết phù hợp với các hạt sắt rắn dồi dào bổ sung cho thành phần bụi. Kết quả là, chiếc đĩa này có thể chứa các khoáng chất và kim loại tương tự như những chất được tìm thấy ở các hành tinh đất đá trong hệ mặt trời. Nó cung cấp cái nhìn thoáng qua về các điều kiện tương tự như hệ mặt trời sơ khai hơn bốn tỷ năm trước trong quá trình hình thành các hành tinh đá như Sao Thủy. sao Kimvà trái đất.

Ba vòng sắt trong đĩa hình thành hành tinh

Nguồn gốc của Trái đất và hệ mặt trời truyền cảm hứng cho các nhà khoa học cũng như công chúng. Bằng cách nghiên cứu tình trạng hiện tại của hành tinh quê hương chúng ta và các thiên thể khác trong hệ mặt trời, các nhà nghiên cứu đã phát triển một bức tranh chi tiết về các điều kiện mà chúng phát triển từ một đĩa bụi và khí bao quanh mặt trời sơ sinh khoảng 4,5 tỷ năm trước.

Ba chiếc nhẫn chỉ hai hành tinh

Với tiến bộ đáng kinh ngạc trong nghiên cứu hình thành sao và hành tinh nhắm vào các thiên thể xa xôi, giờ đây chúng ta có thể khám phá các điều kiện trong môi trường xung quanh các ngôi sao trẻ và so sánh chúng với các điều kiện từ hệ mặt trời sơ khai. Sử dụng Đài thiên văn Nam Âu (Eso) Kính viễn vọng rất lớn VLTI là điều mà một nhóm nghiên cứu quốc tế do Józef Varga thuộc Đài thiên văn Konkoli ở Budapest, Hungary dẫn đầu đã thực hiện. Họ quan sát đĩa hình thành hành tinh của ngôi sao trẻ HD 144432, cách chúng ta khoảng 500 năm ánh sáng.

Ảnh chụp từ trên không của Kính viễn vọng Rất lớn (VLT) của Đài quan sát Nam Châu Âu trên đỉnh Cerro Paranal ở sa mạc Atacama ở Chile. Giao thoa kế VLT (VLTI) kết hợp ánh sáng của bốn kính thiên văn, cho phép chụp ảnh các thiên thể ở xa có độ phân giải cao. Nguồn ảnh: G.Hüdepohl (atacamaphoto.com)/ESO

Roy van Bokel cho biết: “Bằng cách nghiên cứu sự phân bố bụi ở khu vực bên trong của đĩa, lần đầu tiên chúng tôi phát hiện ra một cấu trúc phức tạp trong đó bụi tích tụ thành ba vòng đồng tâm trong một môi trường như vậy”. Ông là nhà khoa học tại Viện Thiên văn học Max Planck (MPIA) ở Heidelberg, Đức và là đồng tác giả của bài báo nghiên cứu chính được đăng trên tạp chí. Thiên văn học và vật lý thiên văn. “Vùng này tương ứng với vùng nơi các hành tinh đá hình thành trong hệ mặt trời,” Van Bokel cho biết thêm. So với hệ mặt trời, vòng đầu tiên xung quanh HD 144432 nằm trong quỹ đạo của Sao Thủy và vòng thứ hai gần với Sao Hoảmột con đường. Hơn nữa, vòng thứ ba gần như tương ứng với quỹ đạo của Sao Mộc.

Cho đến nay, các nhà thiên văn học đã tìm thấy những thành tạo như vậy hầu hết ở quy mô lớn hơn tương ứng với các thế giới nằm ngoài không gian. sao Thổ Nó xoay quanh mặt trời. Các hệ thống vành đai được tìm thấy trong các đĩa xung quanh các ngôi sao trẻ thường chỉ ra rằng các hành tinh được hình thành trong các khoảng trống khi bụi và khí tích tụ trên đường đi của chúng. Tuy nhiên, HD 144432 là ví dụ đầu tiên về hệ thống vành đai phức tạp rất gần với ngôi sao chủ của nó. Nó xảy ra ở một khu vực giàu bụi, là khối xây dựng của các hành tinh đá như Trái đất. Giả sử rằng các vành đai cho thấy sự hiện diện của hai hành tinh hình thành bên trong các khoảng trống, các nhà thiên văn học đã ước tính rằng khối lượng của chúng gần giống với khối lượng của Sao Mộc.

Các điều kiện có thể tương tự như hệ mặt trời sơ khai

Các nhà thiên văn học đã xác định thành phần bụi trên đĩa cho đến khi tách khỏi ngôi sao trung tâm, tương ứng với khoảng cách của Sao Mộc tới Mặt trời. Những gì họ tìm thấy rất quen thuộc với các nhà khoa học nghiên cứu Trái đất và các hành tinh đá trong hệ mặt trời: nhiều loại silicat (hợp chất kim loại silicon-oxy) và các khoáng chất khác được tìm thấy trong lớp vỏ và lớp phủ của Trái đất, và có lẽ cả sắt kim loại được tìm thấy trên Sao Thủy và Trái đất. Lõi. Nếu được xác nhận, nghiên cứu này sẽ là nghiên cứu đầu tiên phát hiện ra sắt trong đĩa hình thành hành tinh.

Hình minh họa này là sơ đồ của HD 144432 được quan sát bằng VLTI. Dữ liệu phù hợp với cấu trúc gồm ba vòng đồng tâm. Khoảng trống giữa các vòng thường chỉ ra rằng các hành tinh lớn hình thành do sự tích tụ của bụi và khí dọc theo quỹ đạo quanh ngôi sao chủ của chúng. Khoáng vật silicat tồn tại chủ yếu dưới dạng tinh thể ở vùng nóng bên trong. Phản hồi VLTI không thể hạn chế đĩa ngoài bị lạnh. Tín dụng: © J. Varga và cộng sự. / MPIA

Van Bokel giải thích: “Cho đến nay, các nhà thiên văn học đã giải thích các quan sát về các đĩa bụi bằng hỗn hợp bụi carbon và silicat, những vật liệu mà chúng ta thấy ở hầu hết mọi nơi trong vũ trụ”. Tuy nhiên, từ góc độ hóa học, hỗn hợp sắt-silicat dễ được chấp nhận hơn ở những vùng đĩa nóng bên trong. Thật vậy, mô hình hóa học mà Varga, tác giả chính của bài báo nghiên cứu ban đầu, áp dụng cho dữ liệu mang lại kết quả tốt hơn khi đưa sắt vào thay vì carbon.

Hơn nữa, nhiệt độ của bụi quan sát được ở HD 144432 có thể lên tới 1.800 K (khoảng 1.500 độ). độ C) ở rìa trong và nhiệt độ vừa phải 300 K (khoảng 25 °C) ở bên ngoài. Kim loại và sắt tan chảy và ngưng tụ trở lại, thường thành tinh thể, ở những vùng nóng gần ngôi sao. Ngược lại, các hạt carbon sẽ không tồn tại được ở nhiệt độ cao mà thay vào đó tồn tại dưới dạng khí carbon monoxide hoặc carbon dioxide. Tuy nhiên, cacbon có thể vẫn là thành phần quan trọng của các hạt rắn ở đĩa ngoài lạnh mà các quan sát trong nghiên cứu này không thể theo dõi được.

Bụi giàu sắt, nghèo carbon cũng rất phù hợp với điều kiện trong hệ mặt trời. Sao Thủy và Trái Đất là những hành tinh giàu sắt, trong khi Trái Đất chứa tương đối ít carbon. “Chúng tôi nghĩ đĩa HD 144432 có thể rất giống với hệ mặt trời sơ khai cung cấp phần lớn sắt cho các hành tinh đá mà chúng ta biết ngày nay,” van Bokel nói. “Nghiên cứu của chúng tôi có thể là một ví dụ khác cho thấy sự hình thành hệ mặt trời của chúng ta có thể khá điển hình.”

Giao thoa kế giải quyết các chi tiết nhỏ

Việc thu hồi kết quả chỉ có thể thực hiện được thông qua các quan sát có độ phân giải đặc biệt cao do VLTI cung cấp. Bằng cách kết hợp bốn kính thiên văn VLT dài 8,2 mét tại Đài quan sát Paranal của Đài thiên văn Nam Châu Âu, họ có thể phân giải các chi tiết như thể các nhà thiên văn học sử dụng kính thiên văn có gương chính 200 mét. Varga, van Bokel và các cộng tác viên của họ đã thu thập dữ liệu bằng cách sử dụng ba thiết bị để đạt được vùng phủ sóng rộng từ 1,6 đến 13 micromet, đại diện cho ánh sáng hồng ngoại.

MPIA đã cung cấp các thành phần công nghệ sinh học cho hai thiết bị, GRAVITY và Thí nghiệm quang phổ hồng ngoại trung đa khẩu độ (MATISSE). Một trong những mục tiêu chính của Mattis là nghiên cứu các vùng đá hình thành nên các hành tinh xung quanh các ngôi sao trẻ. Thomas Henning, giám đốc và nhà nghiên cứu của MPIA cho biết: “Bằng cách quan sát bên trong các đĩa tiền hành tinh xung quanh các ngôi sao, chúng tôi mong muốn khám phá nguồn gốc của các khoáng chất khác nhau có trong đĩa – những khoáng chất mà sau này sẽ tạo thành các thành phần rắn của các hành tinh như Trái đất”. PI tham gia của công cụ MATISSE.

Tuy nhiên, việc tạo ra những hình ảnh giao thoa kế giống như những hình ảnh chúng ta quen thu được từ các kính thiên văn riêng lẻ không phải là điều dễ dàng và tốn thời gian. Cách sử dụng hiệu quả nhất thời gian quan sát có giá trị để giải mã cấu trúc đối tượng là so sánh dữ liệu thưa thớt với các mô hình cấu hình mục tiêu có thể có. Trong trường hợp HD 144432, cấu trúc ba vòng thể hiện dữ liệu tốt hơn.

Các đĩa hình thành hành tinh giàu sắt phổ biến đến mức nào?

Bên cạnh hệ mặt trời, HD 144432 dường như cung cấp một ví dụ khác về các hành tinh hình thành trong môi trường giàu sắt. Tuy nhiên, các nhà thiên văn học sẽ không dừng lại ở đó. Van Bokel chỉ ra: “Chúng tôi vẫn còn một số ứng viên đầy triển vọng đang chờ VLTI xem xét kỹ hơn”. Trong những quan sát trước đây, nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra một số đĩa xung quanh các ngôi sao trẻ cho biết cấu hình đáng xem xét lại. Tuy nhiên, họ sẽ tiết lộ cấu trúc chi tiết và tính chất hóa học của nó bằng cách sử dụng các thiết bị VLTI hiện đại. Cuối cùng, các nhà thiên văn học có thể làm rõ liệu các hành tinh có thường hình thành trong các đĩa bụi giàu sắt gần các ngôi sao mẹ của chúng hay không.

Tham khảo: “Bằng chứng hồng ngoại trung bình về bụi giàu sắt trong đĩa đa vòng bên trong của HD 144432” của J. Varga, LBFM Waters, M. Hogerheijde, R. van Boekel, A. Matter, B. Lopez, K. Perraut, L. Chen, D. Nadella, S. Wolf, C. Dominik, Á. Cosbal, B. Áp-ra-ham, J.-C. Augereau, P. Polly, J. Bordarot, A. Carati hoặc Jarati, F. Cruz Saenz de Mira, W. C. Danchi, V. Gamez Rosas, Th. Henning, K.-H. Hoffman, M. Holley, JW Isbell, W. Jaffe, T. Juhasz, V. Kekskemethy, J. Cobo, E. Kokulina, L. Labadi, F. Leco, F. Mellor, A. Moore, N. Morugao, E. Pantin, D. Schetel, M. Schick, L. Van Haester, J. Weigelt, J. Wells và B. Woytek, ngày 8 tháng 1 năm 2024, Thiên văn học và vật lý thiên văn.
doi: 10.1051/0004-6361/202347535

Các nhà nghiên cứu của MPIA tham gia vào nghiên cứu này là: Roy van Boekel, Marten Scheuck, Thomas Henning, Jacob W. Isbell, Ágnes Kóspál (cũng là Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Thiên văn và Trái đất HUN-REN, Đài thiên văn Konkoli, Budapest, Hungary). [Konkoly]; CSFK, Trung tâm xuất sắc MTA, Budapest, Hungary [CSFK]; Đại học ELTE Eötvös Loránd, Budapest, Hungary [ELTE]), Alessio Carati hoặc Garatti (còn gọi là INAF-Osservatorio Astronomico di Capodimonte, Naples, Ý).

Các cổ đông khác là: J. Varga (Concoli; CSFK; Đài thiên văn Leiden, Hà Lan). [Leiden]), LBFM Waters (Đại học Radboud, Nijmegen, Hà Lan; SRON, Leiden, Hà Lan), M. Hogerheijde (Leiden; Đại học Amsterdam, Hà Lan) [UVA]), Một. Mater (Observatoire de la Côte d'Azur/CNRS, Nice, Pháp [OCA]), B López (OCA), K. Peru (Đại học Grenoble Alpes/CNRS/IPAG, Pháp [IPAG]), L. Chen (Konkoly; CSFK), D. Nadella (Leiden), S. Wolf (Đại học Kiel, Đức [UK]), C. Dominic (UVA), P. Abraham (Konkoli; CSFK; ELTE), J.-C. Augereau (IPAG), P. Boley (OCA), G. Bourdarot (Viện Vật lý Ngoài Trái đất Max Planck, Garching, Đức), F. Cruz-Saénz de Miera (Konkoly; CSFK; Đại học Toulouse, Pháp), W. C. Danchi (NASA Trung tâm bay không gian Goddard, Greenbelt, Hoa Kỳ), V. Gámez Rosas (Leiden), K.-H. Hoffmann (Viện Thiên văn Vô tuyến Max Planck, Bonn, Đức [MPIfR]), M. Houllé (OCA), W. Jaffe (Leiden), T. Juhász (Konkoly; CSFK; ELTE), V. Kecskeméthy (ELTE), J. Kobus (Anh), E. Kokoulina (Đại học Liège, Bỉ ;OCA), L. Labadie (Đại học Cologne, Đức), F. Lykou (Konkoly; CSFK), F. Millour (OCA), A. Moór (Konkoly; CSFK), N. Morujão (Đại học Lisboa và Đại học do Porto, Bồ Đào Nha), E. Pantin (AIM, CEA/CNRS, Gif-sur-Yvette, Pháp), D. Schertl (MPIfR), L. van Haastere (Leiden), G. Weigelt (MPIfR), J. Woillez (Đài thiên văn Nam Âu, Garching, Đức ), P. Woitke (Viện Nghiên cứu Vũ trụ, Viện Hàn lâm Khoa học Áo, Graz, Áo), Hợp tác MATISSE và GRAVITY