Международная команда ученых из Уорикского университета, Массачусетского технологического института и Университета Макмастера предложила инновационный способ оценки массы молодых планет, расположенных в густых пылевых кольцах вокруг звёзд. Эти кольца, называемые протопланетными дисками, являются местами формирования планет, где пыль постепенно объединяется в более крупные объекты. Наблюдать планеты, находящиеся в таких дисках, затруднено из-за большого количества пыли, и ранее астрономам не удавалось установить точную зависимость между характеристиками структуры дисков и массой скрытых в них планет.
Усовершенствование технологий наблюдения, в особенности применение телескопа ALMA, расположенного в Чили, позволило учёным проводить детальное изучение протопланетных дисков и выявить, что они имеют структуру, состоящую из отдельных кольцевых образований. Ранее специалисты предполагали, что эти кольца содержат сведения о формирующихся планетах, однако не располагали средствами для их интерпретации. « По словам Амены Фаруки, ведущего автора исследования и аспирантки Уорикского университета, эти заметные кольца – не только декоративные элементы, но и своеобразные идентификационные признаки планет. Анализ структуры этих колец позволил ученым определить массу планет, которые их породили, даже если сами планеты слишком слабые или находятся на слишком большом расстоянии для непосредственного наблюдения ».
Специалисты создали детализированные компьютерные модели, чтобы изучить, как масса планеты сказывается на форме пылевых колец. Результаты анализа показали, что структура кольца характеризуется тремя основными признаками, имеющими решающее значение для определения параметров планеты: шириной кольца, его плотностью и самой яркой областью. Наибольшее значение имеет именно самая яркая точка кольца, поскольку она непосредственно связана с массой планеты и не подвержена влиянию внешних факторов, например, размера частиц пыли или длины волны, используемой при наблюдениях. Ученые утверждают, что, опираясь лишь на этот единственный показатель, можно установить массу формирующейся планеты, даже не располагая информацией об условиях в аккреционном диске.
Для подтверждения работоспособности предложенного подхода ученые использовали систему PDS 70, одну из редких обсерваторий, позволившую получить прямые снимки планет, расположенных внутри пылевого диска. С помощью разработанного ими метода, который заключается в определении яркости наиболее заметной точки пяти колец, исследователи смогли вычислить массу, значение которой оказалось весьма сопоставимо с данными, полученными другими методами. « По словам соавтора, доктора Джессики Спиди из MIT, значительным преимуществом этой работы является её практическая ценность, выходящая за рамки теоретических исследований. Благодаря использованию системы PDS 70 в качестве наблюдательной лаборатории, была проведена фактическая проверка предложенного подхода, что позволяет утверждать о готовности этих методов к масштабному применению ».
Согласно результатам моделирования, в обычных дисках массивные формирующиеся планеты способны удерживать в своих кольцах количество пыли, сопоставимое с массой двадцати Земль. Это соотносится с данными, полученными в ходе наблюдений, выполненных телескопом ALMA, однако одновременно возникает новый вопрос: почему внутри этой пыли и обломков до сих пор не зафиксировано образование новых планет. Недостаточность такого формирования станет приоритетным направлением для дальнейших исследований и разработки теорий. Авторы работы отмечают, что их исследование предоставляет наблюдателям полезный инструмент для непосредственного определения масс планет по пылевым кольцам, и сейчас, благодаря всё более детальным снимкам ALMA и появлению новых обсерваторий в обозримом будущем, условия для этого наиболее благоприятные.
Исследование в журнале The Astrophysical Journal.