Zniekształcone orbity w układzie trzech gwiazd

 

Dziwne, zniekształcone orbity dysków formujących planety w układzie trzech gwiazd

Nasza samotna żółta gwiazda  z planetami krążącymi po tej samej, wyrównanej ekliptyce, wydaje się nam normalna. Natomiast większość jest w układach podwójnych, niektóre są w systemach potrójnych gwiazd. A dyski planetotwórcze wokół tych układów trójgwiazdowych mogą wykazywać zniekształcone orbity.
Dwa zespoły astronomów korzystające z układu Atacama Large Millimeter / Sub-millimeter Array (ALMA) zbadały młody układ słoneczny o nazwie GW Orionis (GW Ori), który zawiera trzy gwiazdy. Odkryli, że orbity młodych, wciąż formujących się planet w tym układzie są dziwne i zniekształcone. Ich orbity znacznie różnią się od orbit planet w naszym Układzie Słonecznym.
GW Orionis to układ potrójny gwiazd oddalony o około 1310 lat świetlnych. Wszystkie trzy gwiazdy w układzie to gwiazdy T-Tauri, mające mniej niż 10 milionów lat, więc jak na gwiazdy są bardzo młode. W związku z tym planety w układzie wciąż formują się wewnątrz grubego pierścienia pyłu. ALMA ma możliwość zajrzenia do wnętrza całego pyłu i obserwowania, jak system nabiera kształtu.

Ten wykres pokazuje położenie potrójnego systemu GW Orionis w konstelacji Oriona (Łowcy). Mapa obejmuje większość gwiazd widocznych nieuzbrojonym okiem w dobrych warunkach, a położenie GW Orionis jest oznaczone czerwoną kropką. Źródło: NRAO / AUI / NSF, IAU, Sky & Telescope

W układzie GW Ori orbity planet nie są wyrównane z orbitami gwiazd. Te zakrzywione orbity zaczynają się w dyskach protoplanetarnych, z których powstają planety. Badając te krzywe dyski wokół wielu systemów gwiezdnych, naukowcy mają nadzieję dowiedzieć się więcej o procesie formowania się planet.
GW Ori to złożony system z dwiema gwiazdami wewnętrznymi i jedną gwiazdą zewnętrzną. Dwie wewnętrzne gwiazdy, nazwane GW Ori A i GW Ori B, krążą wokół siebie w odległości około 1 jednostki astronomicznej. Gwiazda zewnętrzna, GW Ori C, okrąża dwie gwiazdy wewnętrzne w odległości około 8 jednostek astronomicznych.
Obserwacje ALMA wykazały trzy oddzielne pierścienie w masywnym dysku formującym planetę GW Ori. Każdy z trzech ma inną orientację. Są w przybliżeniu 46, 185 i 340 au od centrum. Pierścień wewnętrzny nie jest wyrównany względem pozostałych dwóch i samych gwiazd. Warto zwrócić uwagę na pierścień zewnętrzny, ponieważ jest to najdalszy, jaki kiedykolwiek zaobserwowano, oddalony od swojej gwiazdy o 340 AU. W naszym Układzie Słonecznym zewnętrzna planeta Neptun znajduje się tylko około 30 au od Słońca. Dyski zawierają również dużo pyłu. Zespół Bi’s oszacowały masy pyłu dysków odpowiednio na 74, 168 i 245 mas Ziemi.

ALMA po raz pierwszy zauważyła zniekształconą orbitę w GW Ori w 2017 r. Obserwacje uzupełniające potwierdziły skręconą orbitę. „Byliśmy zaskoczeni, widząc silną niewspółosiowość pierścienia wewnętrznego”, powiedział Jiaqing Bi w komunikacie prasowym . 

Rycina z badania prowadzonego przez Jiaquing Bi. Podkreśla zwrot obserwowany w gazie w systemie GW Ori. Źródło zdjęcia: Bi i in., 2020.

Drugi zespół badawczy, kierowany przez Stefana Krausa z Uniwersytetu w Exeter, wykorzystał ALMA i Bardzo Duży Teleskop (VLT) należący do ESO do obserwacji systemu GW Ori. Mówią, że jest cień rzucany przez wewnętrzny pierścień na zewnętrzny dysk. Znaleźli również ciepły gaz na wewnętrznej krawędzi dziwnie ukształtowanego pierścienia.
„Na naszych zdjęciach widzimy cień wewnętrznego pierścienia na zewnętrznym dysku. Jednocześnie ALMA pozwoliła nam zmierzyć dokładny kształt pierścienia rzucającego cień. Połączenie tych informacji pozwala nam uzyskać trójwymiarową orientację niewyrównanego pierścienia i wypaczonej powierzchni dysku ”- powiedział Kraus w tym samym komunikacie prasowym.

ALMA której ESO jest partnerem, oraz instrument SPHERE znajdujący się na należącym do ESO teleskopie Very Large Telescope zobrazowały GW Orionis, układ potrójnej gwiazdy z osobliwym obszarem wewnętrznym. W przeciwieństwie do płaskich dysków tworzących planety, które widzimy wokół wielu gwiazd, GW Orionis ma wypaczony dysk, zdeformowany przez ruchy trzech gwiazd w jego centrum. Ten złożony obraz przedstawia obserwacje dysku ALMA i SPHERE. Obraz ALMA pokazuje pierścieniową strukturę dysku, z wewnętrznym pierścieniem (którego część jest widoczna jako podłużna kropka w samym środku obrazu) oddzielonym od reszty dysku. Obserwacje SPHERE pozwoliły astronomom po raz pierwszy zobaczyć cień tego najbardziej wewnętrznego pierścienia na pozostałej części dysku, co umożliwiło im zrekonstruowanie jego wypaczonego kształtu. Źródło: ALMA (ESO / NAOJ / NRAO), ESO / Exeter / Kraus i in.

Trzy gwiazdy i ich orbity odgrywają kluczową rolę w kształtowaniu orbit planet. Astronomowie obserwowali je na różnych długościach fal od 11 lat. To obejmuje cały okres orbitalny.
Te 11 lat danych obserwacyjnych pokazało, że gwiazdy nie są wyrównane względem siebie i nie są również wyrównane z dyskiem. W swoim artykule zespół Bi wyjaśnia, że ​​„binarny A – B i składnik C można dynamicznie postrzegać jako układ binarny AB – C. Mimośrodowość krążka okrężnego może wzrosnąć poprzez rezonansowe interakcje z układem podwójnym ”. W artykule zespołu Kraus autorzy piszą, że „Orbity pary wewnętrznej (AB) i trzeciorzędowej (AB-C) są odchylone od siebie o 13,9 ± 1,1 stopnia”
„To okazało się kluczowe dla zrozumienia, jak gwiazdy kształtują dysk” - powiedział członek zespołu John Monnier z University of Michigan.

Schematyczny diagram z badań zespołu Bi’s przedstawiający proponowaną geometrię układu. Płaszczyzny orbitalne układu binarnego AB-C (czerwony), wewnętrzny pierścień pyłowy (pomarańczowy), szczelina między wewnętrznym i środkowym pierścieniem pyłowym (białe kropki), środkowy pierścień pyłowy (zielony) i zewnętrzny pierścień pyłowy (niebieski) są zaznaczone na lewą stronę. Lewy panel jest widokiem z nieba, a na prawym panelu plik binarny jest na krawędzi. Rozmiar komponentów dysku nie jest skalowany. Źródło zdjęcia: Bi’s i in., 2020.

Oba zespoły badawcze zwróciły się następnie do symulacji komputerowych w celu szczegółowego zbadania systemu i dokładnie tego, co powoduje te zniekształcone orbity.

Każdy zespół przedstawił własne wyniki.

Przedstawienie struktury dysku i orbity gwiazdowej potrójnego układu GW Orionis, na podstawie obserwacji ALMA i VLT przeprowadzonych przez Kraus i in. Pomarańczowe pierścienie to (niewyrównane) pierścienie widziane przez ALMA. Przezroczyste powierzchnie odpowiadają filamentom pyłu o mniejszej gęstości, które łączą pierścienie i dominują w emisji światła rozproszonego. Źródło: Kraus i in., 2020; NRAO / AUI / NSF

W przypadku Krausa i jego zespołu symulacje pokazały, że w GW Ori występuje „efekt rozdarcia dysku”. Pokazuje, że przyciąganie grawitacyjne trzech gwiazd krążących po ich różnych płaszczyznach może wypaczać i łamać dyski. Gdy trzy gwiazdy poruszają się po swoich nierównych orbitach, momenty pływowe rozbijają dysk okołogwiazdowy na trzy odrębne, poprzedzające je pierścienie. „Nasze wyniki pokazują, że rozrywanie dysku występuje w młodych układach wielokrotnych i że jest to realny mechanizm tworzenia wypaczonych dysków i nieprawidłowo wyrównanych pierścieni dysków, które mogą pretendować do wewnętrznego układu podwójnego” - piszą w artykule.
Kraus i jego koledzy twierdzą również, że efekt rozrywania dysku może pobudzić powstawanie planet. „Przenosząc materiał z płaszczyzny dysku, efekt rozrywania dysku może zapewnić mechanizm formowania planet na ukośnych lub wstecznych orbitach (orbitujących w kierunku przeciwnym do osi orbity i / lub osi obrotu gwiazd)” - piszą.
Zespół Bi’s twierdzi, że pierścienie wewnętrzny, środkowy i zewnętrzny są prawdopodobnie przesunięte o ~ 11, 35 i 40 stopni w stosunku do płaszczyzny orbity układu podwójnego GW Ori AB-C. Ich symulacje wykazały, że grawitacja gwiazd nie wystarczy, aby wyjaśnić brak wyrównania między pierścieniem wewnętrznym i środkowym. „Nasze symulacje pokazują, że samo przyciąganie grawitacyjne gwiazd potrójnych nie może wyjaśnić obserwowanej dużej niewspółosiowości. Uważamy, że obecność planety między tymi pierścieniami jest potrzebna, aby wyjaśnić, dlaczego dysk został rozerwany”- powiedział członek zespołu Nienke van der Marel z University of Victoria. „Ta planeta prawdopodobnie wyrzeźbiła szczelinę pyłową i złamała dysk w miejscu obecnego pierścienia wewnętrznego i zewnętrznego” - dodała.
Co ciekawe, Kraus i jego zespół nie wykluczają planety jako przyczyny. „Pierścień wewnętrzny zawiera wystarczająco dużo pyłu, aby zbudować 30 Ziem, co jest wystarczające, aby planeta uformowała się w pierścieniu”. W rzeczywistości każdy z pierścieni pyłowych zawiera wystarczającą ilość materiału na rdzenie kilku gigantycznych planet.