Bagaimana tiga cincin besi dapat mendefinisikan kembali pembentukan planet

Struktur tiga cincin di wilayah pembentuk planet pada piringan sirkumbintang tempat mineral dan logam berfungsi sebagai tempat penyimpanan bahan penyusun planet.

Sebuah tim peneliti, termasuk para astronom dari Max Planck Institute for Astronomy (MPIA), telah menemukan struktur pembibitan planet bercincin tiga di piringan pembentuk planet bagian dalam sebuah bintang muda. Konfigurasi ini menyarankan dua Jupiter– Planet dengan massa terbentuk di celah antar cincin. Analisis terperinci konsisten dengan banyaknya butiran besi padat yang melengkapi komposisi debu. Akibatnya, piringan tersebut kemungkinan besar mengandung mineral dan logam serupa dengan yang ditemukan di planet kebumian di tata surya. Ini memberikan gambaran sekilas tentang kondisi yang mirip dengan awal tata surya lebih dari empat miliar tahun yang lalu selama pembentukan planet berbatu seperti Merkurius. Venusdan bumi.

Tiga cincin besi dalam piringan pembentuk planet

Asal usul bumi dan tata surya menginspirasi para ilmuwan dan masyarakat. Dengan mempelajari keadaan planet asal kita dan benda-benda lain di tata surya saat ini, para peneliti telah mengembangkan gambaran rinci tentang kondisi di mana mereka berevolusi dari piringan debu dan gas yang mengelilingi bayi matahari sekitar 4,5 miliar tahun yang lalu.

Tiga cincin menandakan dua planet

Dengan kemajuan luar biasa dalam penelitian pembentukan bintang dan planet yang menargetkan benda-benda langit yang jauh, kini kita dapat mengeksplorasi kondisi lingkungan di sekitar bintang-bintang muda dan membandingkannya dengan kondisi di awal tata surya. Menggunakan Observatorium Eropa Selatan (begitu) Teleskop yang sangat besar VLTI adalah apa yang dilakukan oleh tim peneliti internasional yang dipimpin oleh Józef Varga dari Observatorium Konkoli di Budapest, Hongaria. Mereka mengamati piringan pembentuk planet bintang muda HD 144432, yang berjarak sekitar 500 tahun cahaya.

Pemandangan udara dari Very Large Telescope (VLT) European Southern Observatory di atas Cerro Paranal di Gurun Atacama di Chili. Interferometer VLT (VLTI) menggabungkan cahaya empat teleskop, memungkinkan pencitraan resolusi tinggi dari objek langit yang jauh. Kredit foto: G.Hüdepohl (atacamaphoto.com)/ESO

“Dengan mempelajari distribusi debu di bagian dalam piringan, untuk pertama kalinya kami menemukan struktur kompleks di mana debu terakumulasi dalam tiga cincin konsentris di lingkungan seperti itu,” kata Roy van Bokel. Dia adalah ilmuwan di Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) di Heidelberg, Jerman, dan salah satu penulis artikel penelitian utama yang diterbitkan di jurnal Astronomi dan astrofisika. “Wilayah ini sesuai dengan wilayah terbentuknya planet-planet berbatu di tata surya,” tambah Van Bokel. Dibandingkan dengan tata surya, cincin pertama di sekitar HD 144432 berada dalam orbit Merkurius, dan cincin kedua dekat dengan Marssebuah jalan. Selain itu, cincin ketiga kira-kira sesuai dengan orbit Jupiter.

Hingga saat ini, para astronom telah menemukan formasi tersebut sebagian besar dalam skala yang lebih besar yang sesuai dengan dunia yang terletak di luar luar angkasa Saturnus Ia berputar mengelilingi matahari. Sistem cincin yang ditemukan pada piringan yang mengelilingi bintang-bintang muda umumnya menunjukkan bahwa planet-planet terbentuk di dalam celah tersebut ketika debu dan gas terakumulasi di jalurnya. Namun, HD 144432 adalah contoh pertama dari sistem cincin kompleks yang begitu dekat dengan bintang induknya. Itu terjadi di daerah yang kaya akan debu, yang merupakan bahan penyusun planet berbatu seperti Bumi. Dengan asumsi bahwa cincin-cincin tersebut menunjukkan adanya dua planet yang terbentuk di dalam celah tersebut, para astronom memperkirakan bahwa massa cincin-cincin tersebut kira-kira sama dengan massa Jupiter.

Kondisinya mungkin mirip dengan tata surya awal

Para astronom menentukan komposisi debu di seluruh piringan hingga terpisah dari bintang pusat, yang sesuai dengan jarak Jupiter dari Matahari. Apa yang mereka temukan sangat familiar bagi para ilmuwan yang mempelajari Bumi dan planet berbatu di tata surya: berbagai silikat (senyawa logam silikon-oksigen) dan mineral lain yang ditemukan di kerak dan mantel bumi, dan mungkin logam besi seperti yang ditemukan di Merkurius dan Bumi. Inti. Jika terkonfirmasi, penelitian ini akan menjadi penelitian pertama yang mendeteksi zat besi dalam piringan pembentuk planet.

Ilustrasi ini adalah diagram skematik HD 144432 seperti yang diamati dengan VLTI. Data tersebut konsisten dengan struktur tiga cincin konsentris. Kesenjangan antar cincin umumnya menunjukkan bahwa planet-planet besar terbentuk melalui pertambahan debu dan gas di sepanjang orbitnya di sekitar bintang induknya. Mineral silikat terutama terdapat dalam bentuk kristal di zona panas bagian dalam. Umpan balik VLTI tidak dapat membatasi disk eksternal yang dingin. Kredit: © J. Varga dkk. /MPIA

“Sejauh ini, para astronom telah menjelaskan pengamatan piringan berdebu dengan campuran karbon dan debu silikat, material yang kita lihat hampir di mana-mana di alam semesta,” jelas Van Bokel. Namun, dari sudut pandang kimia, campuran besi-silikat lebih dapat diterima di daerah cakram bagian dalam yang panas. Memang benar, model kimia yang diterapkan Varga, penulis utama artikel penelitian asli, pada data menghasilkan hasil yang lebih baik ketika besi dimasukkan daripada karbon.

Selain itu, suhu debu yang diamati pada HD 144432 bisa mencapai 1.800 K (sekitar 1.500 derajat). Celsius) di tepi bagian dalam dan suhu sedang 300 K (sekitar 25 °C) di bagian luar. Logam dan besi meleleh dan mengembun kembali, seringkali menjadi kristal, di daerah panas dekat bintang. Sebaliknya, butiran karbon tidak akan bertahan terhadap panas dan malah menjadi karbon monoksida atau gas karbon dioksida. Namun, karbon mungkin masih menjadi komponen penting dari partikel padat di piringan luar yang dingin, yang tidak dapat dilacak oleh pengamatan dalam penelitian ini.

Debu yang kaya zat besi dan miskin karbon juga cocok dengan kondisi di tata surya. Merkurius dan Bumi merupakan planet yang kaya akan zat besi, sedangkan Bumi mengandung karbon yang relatif sedikit. “Kami pikir piringan HD 144432 mungkin sangat mirip dengan tata surya awal yang menyediakan banyak zat besi untuk planet berbatu yang kita kenal sekarang,” kata van Bokel. “Penelitian kami mungkin menjadi contoh lain yang menunjukkan bahwa pembentukan tata surya kita mungkin sangat khas.”

Interferometri menyelesaikan detail kecil

Pengambilan hasil hanya mungkin dilakukan melalui pengamatan beresolusi sangat tinggi, seperti yang disediakan oleh VLTI. Dengan menggabungkan empat teleskop VLT 8,2 meter di Observatorium Paranal European Southern Observatory, mereka dapat menyelesaikan detail seolah-olah para astronom menggunakan teleskop dengan cermin utama 200 meter. Varga, van Bokel dan kolaboratornya memperoleh data menggunakan tiga instrumen untuk mencapai cakupan panjang gelombang yang luas dari 1,6 hingga 13 mikrometer, yang mewakili cahaya inframerah.

MPIA menyediakan elemen bioteknologi untuk dua instrumen, GRAVITY dan Multi-Aperture Mid-Infrared SpectroScopic Experiment (MATISSE). Salah satu tujuan utama Mattis adalah mempelajari wilayah batuan pembentuk planet di sekitar bintang-bintang muda. “Dengan melihat bagian dalam piringan protoplanet di sekitar bintang, kami bertujuan untuk mengeksplorasi asal usul berbagai mineral yang terkandung dalam piringan tersebut – mineral yang nantinya akan membentuk komponen padat planet seperti Bumi,” kata Thomas Henning, direktur dan peneliti MPIA. PI peserta alat MATISSE.

Namun, menghasilkan gambar interferometer seperti yang biasa kita peroleh dari teleskop individu tidaklah mudah dan memakan waktu. Penggunaan waktu pengamatan yang berharga paling efisien untuk menguraikan struktur objek adalah dengan membandingkan data yang jarang dengan model konfigurasi target yang mungkin. Dalam kasus HD 144432, struktur tiga cincin mewakili data dengan lebih baik.

Seberapa umumkah piringan pembentuk planet yang kaya zat besi?

Selain tata surya, HD 144432 tampaknya memberikan contoh lain tentang pembentukan planet di lingkungan yang kaya akan zat besi. Namun, para astronom tidak akan berhenti sampai di situ. “Kami masih memiliki beberapa kandidat menjanjikan yang menunggu VLTI untuk melihat lebih dekat,” Van Bokel menekankan. Dalam pengamatan sebelumnya, tim menemukan sejumlah piringan di sekitar bintang muda yang menunjukkan konfigurasi yang perlu ditinjau kembali. Namun, mereka akan mengungkapkan struktur rinci dan kimianya menggunakan perangkat VLTI yang canggih. Pada akhirnya, para astronom mungkin dapat mengklarifikasi apakah planet-planet biasanya terbentuk dalam piringan debu yang kaya akan zat besi di dekat bintang induknya.

Referensi: “Bukti inframerah-tengah untuk debu kaya zat besi di cakram multiring bagian dalam HD 144432” oleh J. Varga, LBFM Waters, M. Hogerheijde, R. van Boekel, A. Matter, B. Lopez, K. Perraut, L. Chen, D. Nadella, S. Wolf, C. Dominik, Á. Kobal, B. Abraham, J.-C. Augereau, P. Polly, J. Bordarot, A. Carati atau 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. Leko, F. Mellor, A. Moore, N. Morugao, E.Pantin, D. Schertel, M. Schick, L. Van Haester, J. Weigelt, J. Wells, dan B. Woytek, 8 Januari 2024, Astronomi dan astrofisika.
doi: 10.1051/0004-6361/202347535

Para peneliti MPIA yang terlibat dalam penelitian ini adalah: Roy van Boekel, Marten Scheuck, Thomas Henning, Jacob W. Isbell, Ágnes Kóspál (juga Pusat Penelitian Astronomi dan Ilmu Bumi HUN-REN, Observatorium Konkoli, Budapest, Hongaria). [Konkoly]; CSFK, Pusat Keunggulan MTA, Budapest, Hongaria [CSFK]; Universitas ELTE Eötvös Loránd, Budapest, Hongaria [ELTE]), Alessio Carati atau Garatti (juga INAF-Osservatorio Astronomico di Capodimonte, Naples, Italia).

Pemegang saham lainnya adalah: J. Varga (Concoli; CSFK; Observatorium Leiden, Belanda). [Leiden]), LBFM Waters (Radboud University, Nijmegen, Belanda; SRON, Leiden, Belanda), M. Hogerheijde (Leiden; Universitas Amsterdam, Belanda) [UVA]), A. Mater (Observatoire de la Côte d'Azur/CNRS, Nice, Prancis [OCA]), B. Lopez (OCA), K. Peru (Université Grenoble Alpes/CNRS/IPAG, Prancis [IPAG]), L. Chen (Konkoly; CSFK), D. Nadella (Leiden), S. Wolf (Universitas Kiel, Jerman [UK]), C.Dominic (UVA), P.Abraham (Konkoli; CSFK; ELTE), J.-C. Augereau (IPAG), P. Boley (OCA), G. Bourdarot (Institut Max Planck untuk Fisika Luar Angkasa, Garching, Jerman), F. Cruz-Saénz de Miera (Konkoly; CSFK; Universitas Toulouse, Prancis), W. C. Danchi (NASA Pusat Penerbangan Luar Angkasa Goddard, Greenbelt, AS), V. Gámez Rosas (Leiden), K.-H. Hoffmann (Institut Max Planck untuk Astronomi Radio, Bonn, Jerman [MPIfR]), M. Houllé (OCA), W. Jaffe (Leiden), T. Juhász (Konkoly; CSFK; ELTE), V. Kecskeméthy (ELTE), J. Kobus (Inggris), E. Kokoulina (Universitas Liège, Belgia ; OCA), L. Labadie (Universitas Cologne, Jerman), F. Lykou (Konkoly; CSFK), F. Millour (OCA), A. Moór (Konkoly; CSFK), N. Morujão (Universidade de Lisboa dan Universidade do Porto, Portugal), E. Pantin (AIM, CEA/CNRS, Gif-sur-Yvette, Perancis), D. Schertl (MPIfR), L. van Haastere (Leiden), G. Weigelt (MPIfR), J. Woillez (European Southern Observatory, Garching, Jerman ), P. Woitke (Institut Penelitian Luar Angkasa, Akademi Ilmu Pengetahuan Austria, Graz, Austria), Kolaborasi MATISSE dan GRAVITY