James Webb намери индикации за съществуването на трета планета в звездната система PDS 70

Броят на екзопланетите до момента възлиза на 5 599 потвърдени такива в 4 163 звездни системи, като още 10 157 кандидати очакват потвърждение. Досега по-голямата част от тях са открити с помощта на индиректни методи, включително пасажна фотометрия (74,4%) и измервания на радиалната скорост (19,4%).

Само 19 (или 1,2% от всички) са открити чрез директно заснемане. Това е метод, при който светлината, отразена от атмосферата или повърхността на екзопланета, се използва за нейното откриване и характеризиране. Благодарение на инструменти от най-ново поколение с висок контраст и разделителна способност, това започва да се променя.

Един такъв инструмент е космическият телескоп James Webb и неговите прецизни огледала и набор от уреди за инфрачервени изображения. Използвайки данни, получени от близката инфрачервена камера на Webb (NIRCam), астрономите от проучването MIRI mid-INfrared Disk Survey (MINDS) наскоро изследваха детайлно младата променлива звезда PDS 70 на около 370 светлинни години от Земята. Тя до този момент има две потвърдени протопланети.

PDS 70 е на около 370 светлинни години от Земята

След като изследваха системата и нейния разширен диск от отломки, те откриха доказателства за трета възможна протопланета (зараждаща се планета), обикаляща около звездата. Тези наблюдения биха могли да помогнат за по-доброто разбиране на планетарните системи, които все още са в процес на формиране.

Проучването MINDS е международно сътрудничество между астрономи и физици от Института по астрономия Макс-Планк (MPIA), Астрономическия институт Каптейн, Института за космически изследвания към Австрийската академия на науките (OAW-IFW), Макс-Планк Institute for Extraterrestrial Physics (MPE), Centro de Astrobiología (CAB), Institute Nazionale di Astrofisica (INAF), Института за напреднали изследвания DIAS, Холандския институт за космически изследвания SRON и множество университети.

PDS 70 е обект на интерес през последните години поради младата си възраст (5,3 до 5,5 милиона години) и заобикалящия го протопланетарен диск. Между 2018 г. и 2021 г. две протопланети бяха потвърдени в празнините на този диск въз основа на директни изображения, получени от сложни наземни телескопи. Това включва спектро-поляриметричното висококонтрастно екзопланетно изследвание SPHERE и инструментите GRAVITY на VLT на ESO и голямата милиметрова/субмилиметрова матрица ALMA.

Спектрални данни от Webb

През последните години екипът на MINDS използва спектрални данни от Webb за извършване на изследване на химичния профил на протопланетарни дискове в множество звездни системи. В предишно проучване, базирано на данни от средноинфрачервения инструмент на Webb – MIRI, екипът на MINDS откри вода във вътрешния диск на PDS 70, разположен на около 160 милиона километра или 1,069 AU (една астрономична единица AU се развнява на разстоянието между Земята и Слънцето или 150 милиона километра) от звездата. Това откритие може да има значение за астробиологията и произхода на водата на скалисти планети като Земята. Тези резултати показаха впечатляващите възможности на Webb и това как той може да наблюдава космоса в инфрачервени дължини на вълните, недостъпни за наземните обсерватории.

Валентин Кристиянс, постдокторант в Университета в Лиеж, беше водещият автор на тази последна статия. „Предимството на инструментите на Webb е, че те наблюдават при инфрачервени дължини на вълните, които не могат да се наблюдават от Земята поради нашата атмосфера, която абсорбира по-голямата част от инфрачервения спектър“, каза той в изявление. „Благодарение на Webb можем да получим измервания на протопланети в инфрачервена светлина, което ни позволява да ограничим по-добре нашите модели на формиране на планети.“

Благодарение на Webb можем да получим измервания на протопланети в инфрачервена светлина

За последното си проучване екипът на MINDS изследва PDS 70, използвайки данни от NIRCam на Webb като част от програмата MIRI Guaranteed Time Observations за формирането на планетата. Кристианс и неговият екип бяха мотивирани да проучат PDS 70 допълнително, тъй като предишни изследвания показаха възможност за съществуване на трета протопланета. Това прави системата идеална „лаборатория“ за изучаване на взаимодействията между планетата и планетарния диск. Сигналът от потенциална трета планета беше уловен през 2019 г. от екип, използващ инструмента VLT/SPHERE.

Една възможна интерпретация на този сигнал е, че той проследява трета планета. Използвайки данни от NIRCam, Кристианс и колегите му се опитаха да открият отново този сигнал и да потвърдят, че това е трета планета в системата. Благодарение на усъвършенстваната си оптика и коронограф, които премахват смущенията от изображенията на Webb, той е особено подходящ за тази задача. Освен това той и колегите му бяха подпомогнати от усъвършенствани алгоритми, които помагат да се отдели звездната светлина от други точкови източници в орбита, като например различни отломки.

Кристианс обясни: „Наблюдението на друга звезда, наречена референтна звезда, може да се използва за разграничаване на светлината от звездата, която ни интересува, и търсене на екзопланети там. В нашето изследване вместо това избрахме техника, при която се заснемат две последователности от изображения на звездата – една преди и една след завъртане на инструмента. Така позицията на екзопланета ще се е завъртяла в двете последователности от изображения. Оттам, чрез „изваждане“ на изображенията на едната последователност от тези на другата, и обратното, можем ефективно да се отървем от светлината на звездата и да направим изображения на нейните планети и диск.“

PDS 70 b и PDS 70 c

След това екипът комбинира своите измервания с предишни наблюдения, направени с наземни инструменти, и ги сравни с други модели на планетообразуване. От това те успяха да направят извод за количеството натрупан газ и прах около протопланетата по време на периода на наблюдение. Качеството на изображенията също им позволи да разграничат спираловидно рамо от газ и прах, причинено от втория потвърден кандидат (PDS 70 c). И накрая те откриха ярък сигнал, съответстващ на кандидат за протопланета, обвит в прах.

„Това, което прави този кандидат толкова интересен, е, че той може би е в резонанс 1:2:4 с вече потвърдените планети PDS 70 c и PDS 70 c (т.е. неговият орбитален период е почти точно два пъти и четири пъти по-кратък от този на съответно PDS 70 b и PDS 70 c)„, каза Кристианс. Това е същото, което се случва с три от Галилеевите луни на Юпитер (Ганимед, Европа и Йо), които също са в резонанс 1:2:4. Звездна система с три планети в такава орбитална връзка би била златна мина за астрономите. „Необходими са обаче повече наблюдения, преди този резонанс да може да бъде потвърден“, добави Кристианс.

Орбитален резонанс 1:2:4

В допълнение към демонстрирането на възможностите на Webb, тези открития биха могли да помогнат за подобряване на сегашното ни разбиране за това как се формират и развиват планетарните системи. Това е една от основните цели на James Webb – да използва своята усъвършенствана инфрачервена оптика за изследване на млади звездни системи, където планетите все още са в процес на формиране. Това е висок приоритет за астрономите откакто „пенсионираният“ през 2018 г. телескоп Kepler започна да открива екзопланети, които противоречат на широко приетите теории за това как се формират и развиват планетарните системи. По-специално, откриването на много газови гиганти, обикалящи близо до своите звезди, противоречи на теориите, че газовите гиганти се образуват във външните граници на звездните системи.

Като наблюдават млади звездни системи в различни етапи на формиране, астрономите се надяват да тестват различни теории за това как е възникнала Слънчевата система.

Кристиянс обобщи: „Смята се, че миграцията на планетите (приближаването им към звездата) играе решаваща роля в еволюцията на планетарните системи и помага да се обясни разнообразието от звездни системи, открити до момента чрез индиректни методи. В нашия случай наблюдаваме много млада система, все още в процес на формиране, където двете известни планети гиганти изглежда са в резонанс и където третата потенциална планета, ако бъде потвърдена, би могла също да бъде в резонанс с другите две. В случая със Слънчевата система подозираме, че миграцията и резонансното движение на гигантските планети вероятно също са се случили много отдавна. Това би могло да обясни настоящата им конфигурация. Сега най-вероятно наблюдаваме този процес „на живо“ в друга система!“

Официалната научна публикация можете да намерите тук.