Hubble ontdekt pasgeboren planeten verborgen in de dansende schaduwen

Ongeziene pasgeboren planeten doen stof opwaaien rond een jonge ster

Onze wereld is zo wispelturig dat het soms graag verstoppertje speelt. In 2017 waren astronomen verrast toen ze een enorme schaduw zagen die een schijf van stof en gas omhulde rond de nabije jonge ster TW Hydrae. De schaduw wordt geworpen door een binnenste schijf van stof en gas die enigszins schuin staat ten opzichte van het vlak van de buitenste schijf. De schaduw is alleen duidelijk te zien omdat het systeem van aangezicht tot aangezicht op aarde is gekanteld, waardoor astronomen de schijf vanuit vogelperspectief kunnen zien terwijl de schaduw rond de schijf schiet als een hand die op een klok beweegt.

Maar het horloge heeft twee wijzers (voor uren en minuten) die met verschillende snelheden vegen. En het blijkt dat TW Hydrae dat ook is. Astronomen gebruikten Hubble om een ​​tweede schaduw te vinden die tevoorschijn kwam uit een andere binnenste schijf, gekanteld naar de twee buitenste schijven. Daarom lijkt het systeem steeds ingewikkelder met ten minste drie overlappende schijven die enigszins ten opzichte van elkaar zijn gekanteld. De schijven zijn proxy’s voor onzichtbare planeten rond de ster. Elke planeet trekt met zijn zwaartekracht materiaal naar de ster en vervormt wat een perfect platte pannenkoekvormige schijf zou zijn als de planeten er niet waren. Dit is niet verwonderlijk omdat de planeten in ons zonnestelsel baanvlakken hebben die een paar graden van elkaar verschillen in helling. TW Hydrae geeft astronomen een plaats op de eerste rang om te zien hoe ons zonnestelsel er tijdens zijn vormende jaren uitzag.

Vergelijking van beelden van de Hubble Ruimtetelescoop, die enkele jaren uit elkaar liggen, heeft twee griezelige schaduwen onthuld die tegen de klok in bewegen over een schijf van gas en stof rond de jonge ster TW Hydrae. De schijven kantelen face-to-face op aarde, waardoor astronomen vanuit vogelperspectief kunnen zien wat er rond de ster gebeurt. Op de linkerfoto, genomen in 2016, is slechts één schaduw te zien [A] Het is 11:00 uur. Deze schaduw wordt geworpen door een binnenste schijf die enigszins schuin staat ten opzichte van de buitenste schijf en het sterlicht blokkeert. De afbeelding links toont een tweede schaduw die is verschenen vanaf een andere tussenliggende schijf [C] 07:00 uur, opgenomen in 2021. Originele binnenschijf gemarkeerd [B] in deze volgende show. Schaduwen draaien rond de ster met verschillende snelheden, zoals met de klok mee. Ze zijn het bewijs van twee onzichtbare planeten die stof in hun banen hebben getrokken. Hierdoor leunen ze iets tegen elkaar aan. Dit is een afbeelding in zichtbaar licht, gemaakt met de Imaging Spectroradiometer van de Space Telescope. Synthetische kleur is toegevoegd om details te verbeteren. Credits: NASA, ESA, STScI, John Debes (AURA/STScI voor ESA), Joseph DePasquale (STScI)

De Hubble-ruimtetelescoop volgt een schaduwspel rond de planeetvormende schijf

De jonge ster TW Hydrae speelt “schaduwpoppen” terwijl de wetenschappers naar hem kijken[{” 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.