ΡΑΔΙΟΤΗΛΕΣΚΟΠΙΟ ALMA

 

Φωτογράφιση πλανητών που σχηματίζονται μέσα σε δίσκους σκόνης

Πρωτοπλανητικοί δίσκοι σκόνης και αερίων, γύρω από νεαρά άστρα, που «φωτογράφισε» το τηλεσκόπιο ALMA και στους οποίους εντοπίστηκαν πλανήτες

Το 2011, στην έρημο Ατακάμα της Χιλής, σε υψόμετρο 5.000 μέτρων, ένα μεγάλο σύνθετο τηλεσκόπιο, αποτελούμενο από 66 συγχρονισμένα μεταξύ τους ραδιοτηλεσκόπια, άρχιζε τις παρατηρήσεις του. Η διάταξη αυτή το κάνει ισοδύναμο με ένα μοναδικό τηλεσκόπιο διαμέτρου 16 χιλιομέτρων! Ετσι μπορεί να δει πιο βαθιά και πιο μακριά μέσα στο Διάστημα την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία μήκους κύματος χιλιοστού ή κλάσματος του χιλιοστού (μικροκύματα), αυτή δηλαδή που του επιτρέπει να παρατηρήσει νέφη από σκόνη σε μέγεθος κόκκου άμμου, ή μικρότερο. Ενα από τα πρώτα άστρα, στα οποία στράφηκε, ήταν το AU του αστερισμού του Μικροσκοπίου (AU Mic), ένα άστρο που περιβάλλεται από δίσκο αποτελούμενο από σκόνη και μεγαλύτερα πετρώδη συσσωματωμάτα. Μπορεί η σκόνη και οι πέτρες να μην ακούγονται ως το πιο ενδιαφέρον αντικείμενο παρατήρησης, είναι όμως τα πρωτόλεια υλικά από τα οποία φτιάχνονται οι πλανήτες και το τηλεσκόπιο ALMA έδωσε στους αστρονόμους για πρώτη φορά τη δυνατότητα να μελετήσουν αυτούς τους δίσκους στη λεπτομέρειά τους.

Η σύγχρονη αστρονομία συνήθως γίνεται από απόσταση. Αντί οι αστρονόμοι να περνάνε ξάγρυπνες νύχτες σε απομακρυσμένες τοποθεσίες στην άλλη άκρη του κόσμου, υποβάλλουν μέσω διαδικτύου το σενάριο οδηγιών παρατήρησης και μετά περιμένουν, ορισμένες φορές αρκετούς μήνες, μέχρι να βρεθεί χρόνος για να εκτελεστεί η παρατήρηση αυτόματα από το τηλεσκόπιο και κατόπιν, ώσπου τα δεδομένα από την παρατήρηση να φτάσουν και πάλι ηλεκτρονικά σε αυτούς. Οταν τελικά τα δεδομένα έφτασαν στα χέρια τους, οι ερευνητές είδαν να υπάρχουν δύο φωτεινές κηλίδες γύρω από την κεντρική και πιο φωτεινή, που ήταν το ίδιο το άστρο AU Mic. Οι δύο φωτεινές κηλίδες οριοθετούσαν τα άκρα του δίσκου συντριμμιών που περιβάλλει το άστρο, με τον ίδιο τρόπο που η Ζώνη Κάιπερ περιβάλλει τον Ηλιο. Εκτίμησαν ότι αυτή η ζώνη είναι ό,τι απέμεινε μετά το σχηματισμό πλανητών, γύρω από αυτό το άστρο νάνο τύπου M, που απέχει μόλις 32 έτη φωτός από τη Γη. Αλλοι επιστήμονες ανακάλυψαν αργότερα δύο πλανήτες γύρω από το AU Mic, έναν μεγέθους Δία και έναν μεγέθους Κρόνου, που και οι δύο περιφέρονται αρκετά κοντά του. Το ALMA δίνει μια χωρίς προηγούμενο δυνατότητα στους επιστήμονες να μελετήσουν πώς το υλικό του δίσκου διαμορφώθηκε στο πέρασμα του χρόνου και πώς αλληλεπίδρασε με τους νεοσχηματισμένους πλανήτες.

Αρχή

Τα άστρα σχηματίζονται από τεράστιες περιοχές αερίων και σκόνης, που αποκαλούνται μοριακά νέφη. Η συνήθης πυκνότητα του κενού του Διαστήματος είναι μόλις ένα άτομο ανά κυβικό εκατοστό, αλλά τα πυκνότερα σημεία των μοριακών νεφών μπορούν να φτάσουν 10.000 έως ένα εκατομμύριο φορές μεγαλύτερη πυκνότητα. Οταν αυτά τα σημεία, οι «πυρήνες», γίνουν αρκετά πυκνά, αρχίζουν να καταρρέουν κάτω από την ίδια τους τη βαρύτητα σχηματίζοντας άστρα. Την ίδια στιγμή, η αρχική περιστροφή του καταρρέοντα πυρήνα, κάτω από την επίδραση της αρχής της διατήρησης της στροφορμής, οδηγεί στο σχηματισμό ενός δίσκου υλικών γύρω από το νεογέννητο άστρο.

Οταν τα άστρα είναι ακόμη πολύ νεαρά (με ηλικία μόλις λίγων εκατομμυρίων ετών), οι δίσκοι γύρω τους είναι σχετικά μεγάλοι σε μέγεθος, αν και έχουν μάζα μόλις το 1% έως 10% της μάζας του άστρου. Για ένα άστρο σαν τον Ηλιο, αυτό αντιστοιχεί σε 100 φορές τη μάζα του Δία. Οι δίσκοι αυτοί ονομάζονται πρωτοπλανητικοί, επειδή μέσα τους σχηματίζονται τα προπλάσματα των πλανητών. Πέτρες και κομμάτια πάγου από τον δίσκο συνενώνονται και φτιάχνουν τους πλανητικούς «σπόρους». Καθώς αυτοί οι σπόροι συγκρούονται και συγκολλούνται μεταξύ τους, μεγαλώνουν όλο και περισσότερο, μέχρι να αποκτήσουν αρκετή βαρύτητα, ώστε να αρχίσουν να ελκύουν περισσότερο υλικό. Τα νεογνά - πρωτοπλανήτες περιφέρονται μέσα στον δίσκο και συνεχίζουν να μαζεύουν υλικό, σχηματίζοντας σ' αυτόν κενούς δακτυλίους, σε ένα είδος πλανητικού ...«Pac Man». Σχεδόν όλα τα άστρα που έχουν ηλικία λίγων εκατομμυρίων ετών περιβάλλονται από δίσκους που πιθανότατα φιλοξενούν νέα πλανητικά συστήματα.

Ωριμότητα

Η φάση του πρωτοπλανητικού δίσκου διαρκεί για αρκετά εκατομμύρια χρόνια. Μετά από αυτό το σημείο, το μεγαλύτερο μέρος των αερίων και της σκόνης που υπήρχαν στον πρωτοπλανητικό δίσκο έχει σαρωθεί. Ο ακριβής τρόπος και η χρονική κλίμακα στην οποία γίνεται αυτή η σάρωση είναι αντικείμενο ενεργής μελέτης, αλλά φαίνεται πως το μεγαλύτερο μέρος του υλικού είτε ταξιδεύει προς το εσωτερικό και απορροφάται από το άστρο, είτε εκτινάσσεται προς τα έξω από τους ισχυρούς αστρικούς ανέμους που αυτό εκπέμπει. Μετά από περίπου 10 εκατομμύρια χρόνια, εκείνο που έχει απομείνει είναι ένα ώριμο άστρο, που περιβάλλεται από ένα πλανητικό σύστημα και ένας δίσκος από το υλικό που απέμεινε, με μάζα πιθανότατα λιγότερη από το 10% της μάζας της Γης. Αν και σε αυτούς τους δίσκους συντριμμιών ίσως απομένει αρκετό υλικό για το σχηματισμό σωμάτων όπως ο Πλούτωνας, μοιάζουν περισσότερο με το «απολίθωμα» που άφησε πίσω του ο σχηματισμός πλανητών που προηγήθηκε. Η δομή αυτών των δίσκων διαμορφώνεται από τις βαρυτικές αλληλεπιδράσεις με τους νεοσχηματισμένους πλανήτες και η σύνθεσή τους μας δίνει στοιχεία για το υλικό από το οποίο κατασκευάστηκαν αυτοί οι πλανήτες.

Οι αστρονόμοι χρησιμοποιούν διάφορες τεχνικές για τον εντοπισμό εξωπλανητών, που η καθεμιά προσιδιάζει σε συγκεκριμένα μεγέθη πλανητών (συνήθως μεγάλα έως πολύ μεγάλα) και τροχιές τους (συνήθως κοντά στο άστρο). Οι τεχνικές αυτές δεν βοηθούν να σχηματίσουμε συγκριτική εικόνα με το ηλιακό σύστημα, ακριβώς επειδή εξ ορισμού αποκλείουν την ανακάλυψη των μικρότερων και των πιο απομακρυσμένων πλανητών. Η δυνατότητα παρατήρησης των πρωτοπλανητικών δίσκων που μας προσφέρει το ALMA έρχεται να καλύψει αυτό το κενό, λειτουργώντας συμπληρωματικά στις άλλες μεθόδους. Με αυτήν μπορούν να εντοπιστούν πλανήτες σε μέγεθος και σε τροχιά ανάλογη με του Ποσειδώνα. Ο Ποσειδώνας θεωρείται ότι είχε σχηματιστεί πιο κοντά στον Ηλιο και στη συνέχεια ως αποτέλεσμα βαρυτικών αλληλεπιδράσεων με τους αεριώδεις γίγαντες Δία και Κρόνο, μετατοπίστηκε προς τα έξω, σαρώνοντας το υλικό του πρωτοπλανητικού δίσκου που είχε απομείνει, αφήνοντας μόνο τα υλικά της Ζώνης Κάιπερ, που βρίσκεται ακόμη πιο μακριά από τον Ηλιο.

Μέλλον

Το ALMA επιτρέπει επίσης να μάθουμε περισσότερα για τους εξωπλανήτες που έχουν ανακαλυφθεί με άλλες μεθόδους, μελετώντας τους δίσκους μέσα στους οποίους σχηματίστηκαν, όπως στην περίπτωση των τεσσάρων πλανητών του άστρου HR 8799. Ετσι προσδιορίστηκε ότι ο εξώτερος από τους 4 πλανήτες πρέπει να έχει μάζα 6 φορές τη μάζα του Δία. Αν και αυτή η ανακάλυψη δεν φαίνεται σπουδαία, είναι μια πολύ πιο ακριβής εκτίμηση από εκείνη που είχε γίνει με βάση θεωρητικά μοντέλα για την ψύξη των πλανητών στο πέρασμα του χρόνου. Μάλιστα, χρησιμοποιήθηκε και ως ανεξάρτητος έλεγχος της ακρίβειας αυτών των μοντέλων.

Ομως το ALMA είναι μόνο η αρχή. Πλειάδα μεγάλων επίγειων και τροχιακών τηλεσκοπίων πρόκειται να τεθεί σε λειτουργία στο δεύτερο μισό της δεκαετίας του 2020, επιτρέποντας ακόμη και την απευθείας φωτογράφιση μερικών πλανητών, των οποίων την ύπαρξη μπορούμε απλώς να συνάγουμε με βάση τις παρατηρήσεις του ALMA. Ακόμη πιο φιλόδοξα τηλεσκόπια είναι υπό συζήτηση για την επόμενη δεκαετία. Με τη χρήση νέων τεχνολογιών για την ακόμη πιο ευκρινή παρατήρηση μακρινών ουράνιων σωμάτων, η κατανόηση του ηλιακού συστήματος και του σχηματισμού του κυριολεκτικά αλλάζει από μέρα σε μέρα.

Επιμέλεια:
Σταύρος ΞΕΝΙΚΟΥΔΑΚΗΣ
Πηγή: «Scientific American»