دیسکهای تشکیل دهنده سیاره به روشهای مشابه شگفت‌انگیزی تکامل می‌یابند!!

این تصویر هنری نشان می‌دهد که دیسک‌های تشکیل‌دهنده سیاره در اطراف ستاره‌های جوان اغلب شبیه چه چیزی هستند. آنها در ابتدا از گرد و غبار و گاز تشکیل شده‌اند که به صورت حلقه‌هایی از مواد متراکم پیکربندی شده‌اند. با گذشت زمان، اجزای جامد تبدیل به سنگریزه‌هایی می‌شوند که در نهایت می‌توانند به سیارات تبدیل شوند. از آنجایی که مشاهدات ALMA مورد استفاده در این مطالعه تنها به دانه‌های گرد و غبار با اندازه میلی‌متر حساس هستند، دیسکهای تکامل‌یافته با اجرام بزرگتر یا حتی سیارات سیگنال نسبتاً ضعیفی از مواد باقی‌مانده تولید می‌کنند. نتایج جدید نشان می‌دهد که بدون تابش خارجی، چنین دیسکهایی به طور مشابه تکامل می‌یابند. پس از حدود یک میلیون سال، بیشتر آنها جرم کافی برای تولید سیارات بزرگی مانند مشتری ندارند. با این حال، چنین سیاراتی ممکن است قبلاً در آنجا شکل گرفته باشند. اعتبار: بخش گرافیک MPIA

گروهی از اخترشناسان به رهبری سییرک ون ترویسگا از موسسه نجوم ماکس پلانک، توزیع جرم بیش از 870 قرص سیاره‌ساز را در ابر شکارچی A تجزیه و تحلیل کرده‌اند. با بهره‌برداری از ویژگی‌های آماری این نمونه بزرگ بی‌سابقه از دیسک‌ها و توسعه یک طرح پردازش داده نوآورانه، آنها دریافتند که دور از محیطهای خشن مانند ستاره‌های داغ، کاهش جرم دیسک تنها به سن آنها بستگی دارد. نتایج نشان می‌دهد که حداقل در فاصله 1000 سال نوری از زمین، دیسکهای تشکیل دهنده سیاره و سیستم‌های سیاره‌ای به روش‌های مشابهی تکامل می‌یابند.

 برخی از مهیج‌ترین سوالات در تحقیقات نجومی امروزی این است که “سیستم‌های سیاره‌ای دیگر چگونه به نظر می‌رسند؟” و “چقدر منظومه شمسی با منظومه‌های سیاره‌ای دیگر قابل مقایسه است؟” اکنون تیمی از ستاره‌شناسان سرنخهای مهمی را برای حل این معما ارائه کرده‌اند.

سییرک ون ترویسگا، دانشمند مؤسسه نجوم ماکس پلانک در هایدلبرگ آلمان می‌گوید: «تاکنون ما به طور قطع نمی‌دانستیم که کدام ویژگی‌ها بر تکامل دیسکهای تشکیل‌دهنده سیاره‌ها در اطراف ستاره‌های جوان غالب است. او نویسنده اصلی مقاله تحقیقاتی اساسی است که امروز در Astronomy & Astrophysics منتشر شده است. ون ترویسگا می‌افزاید: «نتایج جدید ما اکنون نشان می‌دهد که در محیطهایی بدون تأثیر خارجی مرتبط، جرم دیسک مشاهده‌شده موجود برای تشکیل سیارات جدید تنها به سن سامانه ستاره-دیسک بستگی دارد».

جرم دیسک ویژگی کلیدی در مطالعه تکامل دیسکهای تشکیل سیاره است. این مقدار تعیین می‌کند که چه مقدار ماده برای تبدیل شدن به سیارات در دسترس است. بسته به سن دیسک، ممکن است سرنخهایی در مورد سیاراتی که قبلاً در آنجا وجود دارند نیز ارائه دهد. اثرات خارجی مانند تابش و بادهای ستارگان پرجرم نزدیک به وضوح بر بقای دیسک تأثیر می‌گذارد. با این حال، چنین محیطهایی نادر هستند و این فرآیندها چیز زیادی در مورد خود دیسک‌ها آشکار نمی‌کنند. در عوض، اخترشناسان بیشتر به ویژگی‌های دیسک داخلی مانند سن، ترکیب شیمیایی، یا دینامیک ابرهای والدینی علاقه‌مند هستندکه ستاره‌های جوان با دیسک‌هایشان از آن بیرون آمده‌اند.

برای تفکیک مشارکت‌های مختلف، تیمی از ستاره‌شناسان منطقه بزرگ و شناخته‌شده‌ای از ستارگان جوان با دیسک، ابر شکارچی A را انتخاب کردند که از زمین تقریباً 1350 سال نوری فاصله دارد. آلوارو می‌گوید: “اوریون A حجم نمونه بی‌سابقه‌ای با بیش از 870 دیسک در اطراف ستاره‌های جوان را در اختیار ما قرار داد. بسیار مهم بود که بتوانیم به دنبال تغییرات کوچک در جرم دیسک بسته به سن و حتی محیطهای محلی درون ابر باشیم.” هاکار، یکی از نویسندگان و دانشمند دانشگاه وین، اتریش، توضیح می‌دهد. این نمونه برگرفته از مشاهدات قبلی با تلسکوپ فضایی هرشل است که امکان شناسایی دیسکها را فراهم می‌کرد. ترکیب چندین طول موج معیاری برای تخمین سن آنها فراهم کرد. از آنجایی که همه آنها متعلق به یک ابر هستند، اخترشناسان انتظار تأثیر کمی از شیمی و تغییرات تاریخ ابر ​​داشتند. آنها همچنین با رد دیسک‌های نزدیکتر از 13 سال نوری، از برخورد ستارگان پرجرم در خوشه سحابی شکارچی (ONC) در همان نزدیکی جلوگیری کردند.

برای اندازه‌گیری جرم دیسک، تیم از آرایه میلی‌متری/زیر میلی‌متری آتاکاما (ALMA) واقع در فلات چاجنانتور در صحرای آتاکامای شیلی استفاده کرد. آلما از 66 آنتن سهموی تشکیل شده است که به عنوان یک تلسکوپ منفرد با وضوح زاویه‌ای قابل تنظیم عمل می‌کند. دانشمندان از یک حالت مشاهده استفاده کردند که به آنها اجازه می‌داد هر دیسک را به طور موثر در طول موج حدود 1.2 میلی‌متر مورد هدف قرار دهند. دیسکهای سرد در این محدوده طیفی روشن هستند. از سوی دیگر، سهم ستاره‌های مرکزی ناچیز است. با این رویکرد، ستاره‌شناسان توده غبار دیسکها را تعیین کردند. با این حال، مشاهدات نسبت به اجسام بسیار بزرگتر از چند میلی‌متر غیر حساس هستند. بنابراین، این تیم به طور موثر جرم مواد دیسکی که قادر به تشکیل سیارات است را اندازه‌گیری کردند.

این تصویر ابر ستاره‌ساز غول‌پیکر شکارچی A را که توسط ابزار SPIRE (گیرنده تصویربرداری طیفی و فتومتریک) روی تلسکوپ فضایی هرشل رصد شده است، به تصویر می‌کشد. این توزیع در مقیاس بزرگ گرد و غبار سرد را ردیابی می کند. شکارچی A حدود 1350 سال نوری از ما فاصله دارد و از نواحی ستاره‌زایی منفرد تشکیل شده است که در برچسب‌های آنها مشخص شده است. مکانهای دیسک‌های تشکیل‌دهنده سیاره (+) مشاهده‌شده با آلما نشان داده شده‌اند، در حالی که دیسک‌هایی با جرم غبار بالاتر از معادل 100 جرم زمین به‌عنوان نقاط آبی ظاهر می‌شوند. سحابی معروف شکارچی که با چشم غیرمسلح در آسمان قابل مشاهده است، میزبان خوشه سحابی شکارچی (ONC) است که شامل چندین ستاره پرجرم است که تشعشعات شدید ساطع می‌کنند. اعتبار: S.E. ون ترویسگا و همکاران/MPIA

قبل از محاسبه جرم دیسک، اخترشناسان داده‌های چند ده تلسکوپ آلما را ترکیب و کالیبره کردند. این وظیفه زمانی که با مجموعه داده‌های بزرگ سر و کار دارید کاملاً یک چالش می‌شود. با استفاده از روش‌های استاندارد، پردازش داده‌های جمع‌آوری شده ماه‌ها طول می‌کشید. در عوض، تیم روش جدیدی را با استفاده از کامپیوترهای موازی توسعه دادند. رایموند اوونک یکی از نویسندگان ارائه دهنده خدمات فناوری اطلاعات SURF اشاره می‌کند: “رویکرد جدید ما سرعت پردازش را تا 900 برابر افزایش داد.” 3000 ساعت سی‌پی‌یو موردنیاز برای تکمیل کار و آماده‌سازی داده‌ها برای تجزیه و تحلیل بعدی در کمتر از یک روز سپری شد.

در مجموع، شکارچی A حاوی دیسکهای تشکیل‌دهنده سیاره است که هر کدام غباری به اندازه چند صد جرم زمین دارند. با این حال، از 870 دیسک، تنها 20 عدد گرد و غباری معادل 100 زمین یا بیشتر را در خود نگه می‌دارند. به طور کلی، تعداد دیسکها با جرم به سرعت کاهش می‌یابد و اکثریت آن‌ها حاوی کمتر از 2.2 جرم زمینی گرد و غبار هستند. ون ترویسگا توضیح می‌دهد: “به منظور جستجوی تغییرات، ما ابر شکارچی A را تشریح کردیم و این مناطق را به طور جداگانه تجزیه و تحلیل کردیم. به لطف صدها دیسک، نمونه‌های فرعی هنوز به اندازه کافی بزرگ بودند تا نتایج آماری معنی‌داری به دست آورند.”

در واقع، دانشمندان تغییرات جزئی در توزیع جرم دیسک در مقیاسهای دهها سال نوری در شکارچی A پیدا کردند. با این حال، همه آنها را می‌توان به عنوان یک اثر سنی توضیح داد، به این معنی که در عرض چند میلیون سال، توده دیسک تمایل به کاهش دارد. جمعیتهای مسنتر در حاشیه خطا، خوشه‌هایی از دیسک‌های تشکیل‌دهنده سیاره با همان سن، توزیع جرم یکسانی را نشان می‌دهند. به هیچ وجه تعجب‌آور نیست که توده غبار در قرصهای تشکیل دهنده سیاره در زمان کاهش یابد. به هر حال گرد و غبار یکی از مواد اولیه سیارات است. از این رو، تشکیل سیاره مطمئناً میزان گرد و غبار آزاد را کاهش میدهد. فرآیندهای شناخته شده دیگر مهاجرت غبار به سمت مرکز دیسک و تبخیر غبار توسط تابش از ستاره میزبان است. با این حال، دیدن چنین همبستگی قوی بین جرم دیسک و سن شگفت‌آور است.

همه آن دیسک‌ها از همان محیطی بیرون آمدند که اکنون ابر جبار A را تشکیل می‌دهد. این در مقایسه با دیگر جمعیتهای دیسک ستاره جوان چگونه است؟ اخترشناسان با مقایسه نتایج خود با چندین منطقه ستارگان نزدیک با دیسکهای تشکیل دهنده سیاره به این سوال پرداختند. به جز دو مورد، همه آنها به خوبی با رابطه سنی انبوه یافت شده در جبار A مطابقت دارند. در مجموع، ما فکر می‌کنیم مطالعه ما ثابت می‌کند که حداقل در حدود 1000 سال نوری آینده، همه جمعیتهای دیسک‌های تشکیل دهنده سیاره یکسان را نشان می‌دهند. توزیع انبوه در یک سن معین و به نظر می‌رسد که آنها کمابیش به یک شکل در حال تکامل هستند.” نتیجه ممکن است حتی به شکل‌گیری منظومه‌های سیاره‌ای به طرز خیره کننده‌ای اشاره کند.

به عنوان گام بعدی، دانشمندان به برخوردهای احتمالی ستارگان نزدیک در مقیاسهای کوچکتر از چند سال نوری نگاه خواهند کرد. در حالی که آنها از میدان تابشی قوی ناشی از ستارگان پرجرم در ONC اجتناب کردند، ستاره‌های میدانی بالقوه کم نورتر نیز وجود دارند که ممکن است بر گرد و غبار موجود در دیسکهای مجاور تأثیر بگذارند و آمار جرم دیسک را تغییر دهند. چنین مشارکت‌هایی ممکن است برخی از انحرافات موجود در جرم دیسک را با رابطه سنی توضیح دهد. نتایج می‌تواند به تقویت تصویر کلی از تکامل قرص سیاره‌ای که سن بر آن غالب است کمک کند.

ترجمه: سارا سیدحاتمی

منبع:

Planet-forming disks evolve in surprisingly similar ways

by Max Planck Society MAY 6, 2022

https://phys.org/news/2022-05-planet-forming-disks-evolve-surprisingly-similar.html