ALMA ‘Wiggle’ مشخصه ناپایداری گرانشی را در دیسک سیاره‌ساز شناسایی کرد

سپس مواد باقیمانده از سحابی، دیسکی را در اطراف ستاره تشکیل می‌دهند که در نهایت سیارات، قمرها و اجرام دیگر از آن جمع می‌شوند (یک دیسک پیش سیاره‌ای). اینگونه است که زمین و بسیاری از اجرام منظومه شمسی تقریباً ۴.۵ میلیارد سال پیش گرد هم آمدند و در نهایت در مدار فعلی خود مستقر شدند (پس از چند مهاجرت و برخورد).

با این حال، هنوز در مورد جزئیات خاصی از فرآیند تشکیل سیاره بحث وجود دارد. از یک طرف، کسانی هستند که با مدل سنتی «از پایین به بالا»، که در آن دانه‌های گرد و غبار به تدریج در طی ده‌ها میلیون سال به توده‌های بزرگ‌تر و بزرگ‌تر جمع می‌شوند، هستند. برعکس، شما مدل «بالا به پایین» را دارید که در آن دیسک دور ستاره‌ای به دلیل بی‌ثباتی گرانشی در قطعات بازوهای مارپیچی قرار می‌گیرد. با استفاده از آرایه میلی‌متری/زیر میلی‌متری آتاکاما (ALMA)، یک تیم بین‌المللی از ستاره‌شناسان شواهدی از مدل «بالا به پایین» را هنگام رصد یک دیسک پیش سیاره‌ای در فاصله بیش از ۵۰۰ سال نوری از ما پیدا کردند.

این تیم توسط جسیکا اسپیدی، دکترای نجوم و اخترفیزیک رهبری می شد. کاندیدای دانشگاه ویکتوریا همکارانی از مؤسسه اخترشناسی و اخترفیزیک کاولی (KIAA-PKU)، مرکز فیزیک شبیه‌سازی (CSP-UGA)، مؤسسه نجوم کمبریج، مرکز اخترفیزیک نجوم لیون (CNSA-CRAL) به او پیوستند. موسسه نجوم و اخترفیزیک (ASIAA)، دپارتمان علوم زمین، جو و سیاره (MIT EAPS)، رصدخانه ملی نجوم ژاپن (NAOJ)، رصدخانه جنوبی اروپا (ESO)، و چندین دانشگاه و رصدخانه.

مقاله ای که جزئیات تحقیق آنها را با عنوان ‘ناپایداری گرانشی در یک دیسک تشکیل سیاره‘ شرح می دهد، اخیراً در مجله Nature منتشر شده است.

ALMA که در صحرای آتاکاما در آند شیلی واقع شده است، بزرگترین تلسکوپ رادیویی در جهان است که به مطالعه بخش هایی از کیهان اختصاص یافته است که در غیر این صورت برای ستاره شناسان نامرئی هستند. این شامل ابرهای غبار سرد در فضا، دیسک های پیش سیاره ای و برخی از کهکشان های اولیه در کیهان است که تنها در طول موج های میلی متری و زیر میلی متری قابل مشاهده هستند. اسپیدی و همکارانش با استفاده از ALMA، دیسک پیش سیاره‌ای را که به خوبی مشخص شده در اطراف AB Aurigae، یک منظومه ستاره‌ای جوان (۴ میلیون سال قدمت) که در فاصله ۵۳۰ سال نوری از زمین قرار دارد، مشاهده کردند.

این ستاره یک ستاره از نوع A پیش از دنباله اصلی (آبی-سفید) است که تقریباً ۲.۵ برابر خورشید ما و تقریباً ۲.۴ برابر جرم است. از آغاز سال ۱۳۹۵، دانشمندان ALMA شروع به رصد دیسک پیش سیاره ای ستاره کردند تا درباره شکل گیری سیاره در منظومه های ستاره ای جوان اطلاعات بیشتری کسب کنند. از آن زمان، ستاره شناسان چندین پیش سیاره در حال توسعه را در قرص AB Aurigae و همچنین یک غول گازی نه برابر جرم مشتری را مشاهده کرده اند که در سال ۱۴۰۰ تأیید شد. اینها به صورت توده هایی در بازوهای مارپیچی قرص پیش سیاره ای ظاهر می شوند که در خلاف جهت عقربه های ساعت به دور ستاره می چرخند.

کشف این اجساد در اطراف چنین ستاره جوانی شک و تردیدهایی را در مورد فرآیند ‘پایین به بالا’ ایجاد کرد. بر اساس این مدل، این پیش سیاره ها زمان کافی برای بزرگ شدن به اندازه خود را نداشتند. اسپیدی و تیمشان همراه با مشاور دکترای خود، روبینگ دونگ، مصمم بودند که چگونگی حرکت گاز در بازوهای مارپیچی وسیع سیستم را مطالعه کنند. حساسیت و وضوح بالای ALMA برای این کار بسیار مهم بود و تیم را قادر ساخت تا گاز را در اعماق دیسک بررسی کرده و حرکت آن را دقیقاً اندازه گیری کند.

دکتر کاساندرا هال، استادیار اخترفیزیک محاسباتی در دانشگاه جورجیا نیز یکی از نویسندگان این تحقیق بود. چهار سال پیش، هال مطالعه‌ای را رهبری کرد که در آن او و همکارانش (شامل دونگ و سایر اعضای تیم Speedie) نحوه رفتار یک دیسک ناپایدار گرانشی را شبیه‌سازی کردند. همانطور که او در بیانیه مطبوعاتی NRAO اشاره کرد:

دیسک‌هایی که از نظر گرانشی ناپایدار هستند، بر خلاف دیسک‌هایی که پایدار هستند، باید در میدان سرعت خود «تکان‌های» مشخصی داشته باشند. در سال ۲۰۲۰، ما برخی از پیشرفته‌ترین شبیه‌سازی‌ها را در جهان برای پیش‌بینی وجود این نشانه بارز ناپایداری گرانشی انجام دادیم. واضح بود، قابل آزمایش بود، و کمی ترسناک بود – اگر آن را پیدا نمی‌کردیم، در درک ما از این دیسک‌ها چیزی بسیار بسیار اشتباه بود.

بازوهای مارپیچی در یک قرص پیش سیاره ای زمانی تشکیل می شوند که نسبت جرم قرص به ستاره به اندازه کافی بالا باشد. با گذشت زمان، تغییرات در چگالی منجر به تغییر در گرانش می شود که باعث تغییر در سرعت گاز در داخل و اطراف بازوهای مارپیچی می شود. این تغییرات در سرعت به‌عنوان «تغییر» دیده می‌شوند و قدر را می‌توان برای استنباط نسبت جرم بین ستاره میزبان و مواد موجود در دیسک آن استفاده کرد. اسپیدی و تیمش با استفاده از آرایه آنتن‌های رادیویی ALMA، سرعت ایزوتوپ‌های مونوکسید کربن را در بازوهای مارپیچی دیسک ترسیم کردند و به دنبال نشانه‌هایی از «تکان‌های» پیش‌بینی‌شده بودند.

این اندازه‌گیری‌ها یک «مکعب داده» مستطیلی سه‌بعدی به دست آورد که سرعت و موقعیت گاز را در دیسک پیش سیاره‌ای در امتداد خط دید رصدخانه ترسیم می‌کرد. همانطور که در اندازه‌گیری‌های تداخل سنجی ALMA مرسوم است، داده‌ها به «برش‌ها» (یا برش‌هایی با جهت‌گیری استراتژیک) تجزیه شدند و به Speedie و تیمش اجازه دادند تا به طور قطعی حرکت سرعت را که نشان‌دهنده ناپایداری گرانشی است، شناسایی کنند. این اولین تایید مستقیم رصدی است که مسیر ‘بالا به پایین’ به سمت تشکیل سیاره درست است.

علاوه بر این، نشان می‌دهد که منظومه‌های سیاره‌ای ممکن است بسیار سریع‌تر از آنچه قبلاً تصور می‌شد شکل بگیرند، که می‌تواند پیامدهای مهمی برای تحقیقات اخترشناسی و سیارات فراخورشیدی داشته باشد. همانطور که Speedie توضیح داد، کار هال، حساسیت ALMA و محصولات داده با کیفیتی که برای آنها ایجاد کرد، چیزی بود که این کشف را ممکن کرد:

این یک داستان علمی کلاسیک است که «ما آن را پیش‌بینی کردیم و سپس نشانه ناپایداری گرانشی را پیدا کردیم». ما با یکی از عمیق‌ترین مشاهدات ALMA کار کردیم که تا به امروز با چنین وضوحی با سرعت بالایی روی یک دیسک پیش سیاره‌ای منفرد گرفته شده است. داده های ALMA تشخیص واضحی از ناپایداری گرانشی در عمل ارائه می دهد. هیچ مکانیسم دیگری که ما از آن می دانیم وجود ندارد که بتواند معماری جهانی ساختار مارپیچی و الگوهای سرعتی را که مشاهده می کنیم ایجاد کند.