Koncepcja tego artysty opiera się na zdjęciach z Kosmicznego Teleskopu Hubble’a dysków gazu i pyłu wokół młodej gwiazdy TW Hydrae. Zdjęcia z Kosmicznego Teleskopu Hubble’a pokazują cienie przesuwające się po dyskach otaczających system. Interpretacja jest taka, że ​​te cienie pochodzą od lekko nachylonych dysków wewnętrznych, które blokują światło gwiazd przed dotarciem do dysku zewnętrznego, a zatem rzucają cień. Dyski są lekko nachylone względem siebie z powodu przyciągania grawitacyjnego niewidocznych planet, które wypaczają strukturę dysku. Źródło: NASA, AURA/STScI dla ESA, Leah Hustak (STScI)

Niewidoczne nowonarodzone planety wzbijają pył wokół młodej gwiazdy

Nasz wszechświat jest tak kapryśny, że czasami lubi bawić się w chowanego. W 2017 roku astronomowie byli zaskoczeni, widząc ogromny cień przesuwający się po dysku pyłu i gazu otaczającym pobliską młodą gwiazdę TW Hydrae. Cień rzuca wewnętrzny dysk pyłu i gazu, który jest lekko nachylony w stosunku do płaszczyzny dysku zewnętrznego. Cień można wyraźnie zobaczyć tylko dlatego, że system jest nachylony przodem do Ziemi, co daje astronomom widok dysku z lotu ptaka, gdy cień przesuwa się po dysku jak wskazówka poruszająca się wokół zegara.

Ale zegar ma dwie wskazówki (godziny i minuty) poruszające się z różnymi prędkościami. Okazuje się, że podobnie jak TW Hydrae. Astronomowie wykorzystali Hubble’a do znalezienia drugiego cienia wyłaniającego się z jeszcze innego wewnętrznego dysku, który jest nachylony w kierunku dwóch zewnętrznych dysków. Tak więc system wygląda na coraz bardziej skomplikowany z co najmniej trzema zagnieżdżonymi dyskami lekko pochylonymi względem siebie. Dyski są pośrednikami dla niewidocznych planet wokół gwiazdy. Każda planeta przyciąga grawitacyjnie materię w pobliżu gwiazdy i wypacza coś, co byłoby idealnie płaskim dyskiem w kształcie naleśnika, gdyby nie było tam żadnych planet. Nie jest to zaskoczeniem, ponieważ planety w naszym Układzie Słonecznym mają płaszczyzny orbit, które różnią się nachyleniem o kilka stopni względem siebie. TW Hydrae daje astronomom miejsce przy pierścieniu, jak nasz Układ Słoneczny mógł wyglądać w latach jego formowania się.

Zdjęcia porównawcze z Kosmicznego Teleskopu Hubble’a, wykonane w odstępie kilku lat, ujawniły dwa niesamowite cienie poruszające się w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara przez gazowo-pyłowy dysk otaczający młodą gwiazdę TW Hydrae. Dyski są skierowane w stronę Ziemi, dzięki czemu astronomowie mogą zobaczyć, co dzieje się wokół gwiazdy z lotu ptaka. Zdjęcie po lewej, zrobione w 2016 roku, pokazuje tylko jeden cień [A] na godzinie 11:00. Cień ten jest rzucany przez wewnętrzny dysk, który jest lekko nachylony w stosunku do dysku zewnętrznego, przez co blokuje światło gwiazd. Zdjęcie po lewej pokazuje drugi cień, który wyłonił się z kolejnego zagnieżdżonego dysku [C] na godzinie 7:00, jak sfotografowano w 2021 r. Oryginalny dysk wewnętrzny jest oznaczony [B] w tym późniejszym widoku. Cienie obracają się wokół gwiazdy z różną prędkością, podobnie jak wskazówki zegara. Są dowodem na istnienie dwóch niewidocznych planet, które wciągnęły pył na swoje orbity. To sprawia, że ​​są lekko nachylone względem siebie. To zdjęcie wykonane w świetle widzialnym za pomocą Spektrografu Obrazowania Teleskopu Kosmicznego. Dodano sztuczny kolor, aby uwypuklić szczegóły. Źródło: NASA, ESA, STScI, John Debes (AURA/STScI dla ESA), Joseph DePasquale (STScI)

Kosmiczny Teleskop Hubble’a podąża za grą cieni wokół dysku formującego planetę

Młoda gwiazda TW Hydrae bawi się w „marionetki cienia” z naukowcami, którzy ją obserwują[{” attribute=””>NASA’s Hubble Space Telescope.

In 2017, astronomers reported discovering a shadow sweeping across the face of a vast pancake-shaped gas-and-dust disk surrounding the red dwarf star. The shadow isn’t from a planet, but from an inner disk slightly inclined relative to the much larger outer disk – causing it to cast a shadow. One explanation is that an unseen planet’s gravity is pulling dust and gas into the planet’s inclined orbit.

Now, a second shadow – playing a game of peek-a-boo – has emerged in just a few years between observations stored in Hubble’s MAST archive. This could be from yet another disk nestled inside the system. The two disks are likely evidence of a pair of planets under construction.

TW Hydrae is less than 10 million years old and resides about 200 light-years away. In its infancy, our solar system may have resembled the TW Hydrae system, some 4.6 billion years ago. Because the TW Hydrae system is tilted nearly face-on to our view from Earth, it is an optimum target for getting a bull’s-eye-view of a planetary construction yard. 

The second shadow was discovered in observations obtained on June 6, 2021, as part of a multi-year program designed to track the shadows in circumstellar disks. John Debes of AURA/STScI for the European Space Agency at the Space Telescope Science Institute in Baltimore, Maryland, compared the TW Hydrae disk to Hubble observations made several years ago.

“We found out that the shadow had done something completely different,” said Debes, who is principal investigator and lead author of the study published in The Astrophysical Journal. “When I first looked at the data, I thought something had gone wrong with the observation because it wasn’t what I was expecting. I was flummoxed at first, and all my collaborators were like: what is going on? We really had to scratch our heads and it took us a while to actually figure out an explanation.” 

The best solution the team came up with is that there are two misaligned disks casting shadows. They were so close to each other in the earlier observation they were missed. Over time they’ve now separated and split into two shadows. “We’ve never really seen this before on a protoplanetary disk. It makes the system much more complex than we originally thought,” he said.

The simplest explanation is that the misaligned disks are likely caused by the gravitational pull of two planets in slightly different orbital planes. Hubble is piecing together a holistic view of the architecture of the system.

The disks may be proxies for planets that are lapping each other as they whirl around the star. It’s sort of like spinning two vinyl phonograph records at slightly different speeds. Sometimes labels will match up but then one gets ahead of the other.

“It does suggest that the two planets have to be fairly close to each other. If one was moving much faster than the other, this would have been noticed in earlier observations. It’s like two race cars that are close to each other, but one slowly overtakes and laps the other,” said Debes.

The suspected planets are located in a region roughly the distance of Jupiter from our Sun. And, the shadows complete one rotation around the star about every 15 years – the orbital period that would be expected at that distance from the star. 

Also, these two inner disks are inclined about five to seven degrees relative to the plane of the outer disk. This is comparable to the range of orbital inclinations inside our solar system. “This is right in line with typical solar system style architecture,” said Debes. 

The outer disk that the shadows are falling on may extend as far as several times the radius of our solar system’s Kuiper belt. This larger disk has a curious gap at twice Pluto’s average distance from the Sun. This might be evidence for a third planet in the system.

Any inner planets would be difficult to detect because their light would be lost in the glare of the star. Also, dust in the system would dim their reflected light. ESA’s Gaia space observatory may be able to measure a wobble in the star if Jupiter-mass planets are tugging on it, but this would take years given the long orbital periods.

The TW Hydrae data are from Hubble’s Space Telescope Imaging Spectrograph. The James Webb Space Telescope’s infrared vision may also be able to show the shadows in more detail.

Reference: “The Surprising Evolution of the Shadow on the TW Hya Disk” by John Debes, Rebecca Nealon, Richard Alexander, Alycia J. Weinberger, Schuyler Grace Wolff, Dean Hines, Joel Kastner, Hannah Jang-Condell, Christophe Pinte, Peter Plavchan and Laurent Pueyo, 4 May 2023, The Astrophysical Journal.
DOI: 10.3847/1538-4357/acbdf1

The Hubble Space Telescope is a project of international cooperation between NASA and ESA. NASA’s Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, manages the telescope. The Space Telescope Science Institute (STScI) in Baltimore conducts Hubble science operations. STScI is operated for NASA by the Association of Universities for Research in Astronomy, in Washington, D.C.