**Jak astronomowie czytają pyłowe pierścienie wokół młodych gwiazd**

Zespół astronomów z Uniwersytetu w Warwick opracował nowy sposób szacowania mas młodych, wciąż ukrytych w dyskach protoplanetarnych planet – wyłącznie na podstawie kształtu i jasności pyłowych pierścieni wokół gwiazdy. Metoda działa nawet wtedy, gdy same planety są zbyt słabe, by dało się je bezpośrednio zobaczyć na zdjęciach z teleskopów takich jak ALMA.

Obraz 20 spektakularnych dysków protoplanetarnych uchwyconych w ramach pierwszego dużego programu ALMA , znanego jako Disk Substructures at High Angular Resolution Project (DSHARP). Źródło: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), S. Andrews i in.; NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello

Planety rodzą się w pierścieniach pyłu

Młode gwiazdy otoczone są dyskami gazu i pyłu, które z czasem zbrylają się w planety. W wielu takich dyskach interferometr ALMA i inne nowoczesne instrumenty pokazują system koncentrycznych pierścieni i przerw – to właśnie tam, jak sądzimy, ukryte są nowo narodzone światy.

Planeta krążąca w dysku działa jak kosmiczny pług: grawitacja odciąga część materii, tworząc przerwę, a pył zbiera się w gęstszy, jaśniejszy pierścień nieco dalej od gwiazdy. Do tej pory bezpośrednie oszacowanie mas takich planet było jednak trudne – widzimy strukturę dysku, ale samego tworu sprawczego już nie.

Czytanie między pierścieniami

Zespół z Warwick, we współpracy z badaczami z MIT i McMaster University, przeprowadził szczegółowe symulacje komputerowe, w których śledził, jak planety o różnych masach rzeźbią pyłowe pierścienie w dyskach protoplanetarnych. Zmieniano m.in. masę planety, ilość pyłu i parametry gazu, a następnie analizowano, jak zmienia się kształt i jasność pierścieni na syntetycznych obrazach dysku.

Okazało się, że trzy własności pierścienia – jego szerokość, położenie najjaśniejszego punktu oraz ilość zawartego w nim pyłu – niosą wyraźny ślad masy planety odpowiedzialnej za jego powstanie. Najważniejsza jest pozycja maksimum jasności: autorzy znaleźli prostą zależność między odległością tego maksimum od planety a jej masą, która pozostaje prawdziwa niezależnie od długości fali obserwacji i rozmiaru ziaren pyłu. To znaczy, że metody nie trzeba mozolnie dostrajać do konkretnego instrumentu czy modelu dysku.

Od symulacji do prawdziwych dysków

Gdy zależność została już wyprowadzona, badacze odwrócili zadanie: biorąc obserwowane pierścienie w prawdziwych dyskach, spróbowali odczytać z nich masy niewidocznych planet. Co ważne, można to zrobić, nie znając szczegółowo warunków panujących w każdym dysku – wystarczy dobra jakość obrazów pyłowych pierścieni.

W pracy zastosowano tę metodę m.in. do danych z dużego przeglądu exoALMA, zawierającego obserwacje dysków z wyraźnymi pierścieniami, i zaproponowano nowe oszacowania mas kilku ukrytych planet. W niektórych przypadkach wyniki sugerują, że planety są nieco lżejsze, niż wcześniej przypuszczano na podstawie prostszych modeli, co ma znaczenie dla teorii ich powstawania.

Dlaczego to przełom dla badań egzoplanet?

Nowa metoda jest szczególnie cenna tam, gdzie planety są wciąż bardzo młode i głęboko zanurzone w gazie i pyle dysku – czyli w fazie, którą trudno uchwycić innymi technikami. Daje to szansę na systematyczne ważenie całej populacji nowo narodzonych planet, zamiast pojedynczych przypadków, w których mamy szczęście je bezpośrednio zobaczyć.

Dodatkowo autorzy podkreślają, że ich relacja między pierścieniami a masą planety jest na tyle uniwersalna, iż można ją zastosować do istniejących już archiwów obserwacyjnych – nie tylko z ALMA, ale też z przyszłych, jeszcze czulszych instrumentów radiowych i milimetrowych. To znaczy, że bez robienia nowych zdjęć możemy zajrzeć do danych z ostatnich lat i na nowo przeliczyć masy wielu kandydatów na młode planety.

Co dalej?

Praca Reading between the Rings: Observed Dust Ring Properties as Probes of Planet Masses ukazała się w czasopiśmie The Astrophysical Journal. Autorzy planują teraz zastosować swoją metodę do większych próbek dysków, aby sprawdzić, jakie masy typowo osiągają planety na różnych odległościach od swoich gwiazd i na jakim etapie życia dysku.

W połączeniu z przyszłymi misjami kosmicznymi i obserwatoriami naziemnymi – od ALMA po przyszłe ogromne radioteleskopy – taka pyłowa waga może stać się jednym z kluczowych narzędzi do testowania teorii formowania planet, a także do wyboru najciekawszych układów do dalszych, bardziej szczegółowych badań.