Aldebaran bulletin

Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA & Štefánikova hvězdárna v Praze
Číslo 3 (vyšlo 18. ledna, ročník 11 (2013)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Hledej

Mladé hvězdy a planety vyrůstají společně

Ivan Havlíček

Utváření sluneční soustavy je děj, který je dnes již všeobecně přijímán jako počátek existence planetPlaneta – nebeské těleso, které: 1) obíhá okolo Slunce. 2) má dostatečnou hmotnost, aby jeho gravitace překonala vnitřní síly pevného tělesa (dosáhne kulového tvaru odpovídajícího hydrostatické rovnováze). 3) vyčistí okolí své dráhy od drobnějších těles. Planetami jsou Merkur, Venuše, Země, Mars, Jupiter, Saturn, Uran a Neptun. V poslední době se název planeta vžil i pro exoplanety obíhající kolem jiných hvězd, než je naše Slunce. kroužících kolem hvězdy. Že takový děj musí existenci planetárního systému předcházet, objevovali přírodovědci pomalu a postupně teprve od sedmnáctého století. První ucelená teorie, jejíž základy popsali pánové Emanuel Swedenborg, Immanuel Kant a Pierre-Simon Laplace, pochází ze století osmnáctého a až do druhé poloviny dvacátého věku přetrvala bez výraznějších změn. Této teorii se říká nebulární nebo také česky mlhovinová. Ve hrubém zjednodušení se podle tohoto popisu celý planetární systém utvořil zhuštěním obrovského oblaku mezihvězdného prachu a plynu, jehož rozlehlost zaujímala o několik řádů větší prostor než výsledná oblast, v níž krouží kolem hvězdy velké planety. Ve středu se rozžalo mladé slunce a v bezprostředně navazujícím okolním prostoru ve zhuštěném materiálu převládl jeden orientovaný rotační pohyb, díky němuž došlo ke vzniku plochého rotujícího prachového disku. Z tohoto útvaru se pak za vydatného přispění záře mladého a bujného sluníčka zahustily a dokulatily velké planety. Všechen zbylý materiál, který nepojalo vznikající slunce a který nespotřebovaly ke svému růstu velké planety, byl vykázán na okraj dynamicky se rozvíjející a přetvářené centrální, ale jinak velmi prázdné planetární zóny, kde se potuluje dodnes.

Protoplanetární disk

Mladý protoplanetární disk v době, kdy se počínají utvářet planety. Uprostřed vzniká nové slunce. Většina ilustrací tohoto děje v populární literatuře stále vychází z nebulární teorie, jak byla popsána v osmnáctém či devatenáctém století. Obrázky jsou to ale vesměs velmi pěkné a oku lahodící. Zdroj: Vokrug Sveta.

Planetezimály – tělesa z raných fází vývoje sluneční soustavy. Jedná se o stavební kameny budoucích planetek, na kterých docházelo k procesům diferenciace hmoty a vzniku minerálních asociací typických pro jednotlivé druhy většiny známých meteoritů. V současné době se planetezimály mohou nacházet v oblastech Kuiperova pásu a Oortova oblaku, kam byly vypuzeny v pozdních fázích vývoje sluneční soustavy planetami.

Planeta – nebeské těleso, které: 1) obíhá okolo Slunce. 2) má dostatečnou hmotnost, aby jeho gravitace překonala vnitřní síly pevného tělesa (dosáhne kulového tvaru odpovídajícího hydrostatické rovnováze). 3) vyčistí okolí své dráhy od drobnějších těles. Planetami jsou Merkur, Venuše, Země, Mars, Jupiter, Saturn, Uran a Neptun. V poslední době se název planeta vžil i pro exoplanety obíhající kolem jiných hvězd, než je naše Slunce.

Exoplaneta – extrasolární planeta, planeta obíhající okolo jiné hvězdy, než je naše Slunce. Jejich existence byla předpovězena dlouhou dobu, první exoplaneta u pulzaru byla detekována v roce 1992, první exoplaneta u hvězdy hlavní posloupnosti byla objevena až v roce 1995. Do srpna 2018 bylo nalezeno přibližně 3 800 exoplanet. Většinou jde o velká tělesa s hmotností a velikostí jen o málo menší, než mají hnědí trpaslíci.

V naší sluneční soustavě bylo možné srovnáním rotace SlunceSlunce – nám nejbližší hvězda, tzv. hvězda hlavní posloupnosti, která se nachází ve vzdálenosti 149,6×106 km od Země. Jde o žhavou plazmatickou kouli s průměrem 1,392×106 km, teplotou na povrchu 5 780 K, teplotou v centru přibližně 15×106 K a zářivým výkonem 3,846×1026 W. Zdrojem energie je jaderná syntéza, při které se za každou sekundu sloučí v jádru Slunce 700 milionů tun vodíku na hélium. a dynamiky ostatních planet již v devatenáctém století objevit rozpor, který ale výše uvedený scénář nedokázal nijak vysvětlit. Většinu momentu hybnosti systému totiž nesou planety a Slunce rotuje naopak příliš pomalu, i když pro sebe uchvátilo více než 99 % hmotnosti celé soustavy a rozdělení momentu hybnosti by tomu mělo rámcově odpovídat. Postupně byly nabízeny různé dílčí úpravy nebulární teorie, ale v principu zůstal scénář vzniku soustavy zhuštěním velmi řídkého oblaku mezihvězdné látky stále aktuální. Koncem dvacátého století začíná být konečně tato teorie ověřována i mimo naši sluneční soustavu, a to zejména pozorováním planet u cizích hvězd. Díky systematickému vyhledávání exoplanet vesmírnými observatořemi KeplerKepler – sonda NASA z roku 2009 určená především pro vyhledávání exoplanet. Na palubě má Schmidtův dalekohled o průměru 1,5 metru a fotometr složený z 42 CCD čipů. Pozoruje fixní výsek oblohy v souhvězdí Labutě o průměru 12°. V roce 2012 byla mise prodloužena do roku 2016. V roce 2013 nastala porucha na mechanické části, kvůli které byla činnost dalekohledu dočasně pozastavena. Oprava se ukázala nemožná, proto došlo k výrazné modifikaci pozorovacích programů a mise s jinými než původně plánovanými objekty pokračuje dál., COROTCOROT – COnvection ROtation and planetary Transits, evropská družice, která vznikla na základě spolupráce Francouzské kosmické agentury a Evropské kosmické agentury. Hlavní úlohou je hledání exoplanet. Název má připomínat francouzského malíře Jeana Baptista Camilla Corota. Družice startovala na konci roku 2006 z kosmodromu Bajkonur. Družice je ve výšce 900 km, má hmotnost 670 kg a dalekohled o průměru 27 cm. Doba mise se předpokládala na 2,5 roku, ale postupně byla prodlužována až do roku 2015. V roce 2012 bylo ztraceno spojení se sondou. Pokusy o jeho obnovení byly zatím neúspěšné. a jinými moderními přístroji je dnes možné vznik planetárních systémů pozorovat přímo. Pro pozorování exoplanet a jejich okolí jsou využívány nejen velké optické dalekohledy opatřené adaptivní optikou, které jsou schopné extrémního rozlišení až setin úhlové sekundy, ale také rádiové teleskopy a radioteleskopické sítě, jako například nejmodernější nově budovaná síť ALMAALMA – Atacama Large Millimeter Array. Síť 66 radioteleskopů o průměru 12,5 metru, kterou vybudovala Evropská jižní observatoř (ESO) v chilských Andách ve výšce 5100 m nad mořem na planině Llano Chajnantor v blízkosti městečka San Pedro de Atacama. Smlouva o stavbě byla podepsána v roce 2002, se stavbou se započalo na podzim 2003, stavba byla dokončena na konci roku 2012 a dnes je radioteleskopické pole v plném provozu..

Protoplanetární disk

Vznik protoplanet z planetezimálPlanetezimály – tělesa z raných fází vývoje sluneční soustavy. Jedná se o stavební kameny budoucích planetek, na kterých docházelo k procesům diferenciace hmoty a vzniku minerálních asociací typických pro jednotlivé druhy většiny známých meteoritů. V současné době se planetezimály mohou nacházet v oblastech Kuiperova pásu a Oortova oblaku, kam byly vypuzeny v pozdních fázích vývoje sluneční soustavy planetami. v mladé sluneční soustavě. Tento model se pokoušel odstranit nesoulad mezi poměrem hmotností hvězdy a planet a poměrem jejich dnešních pozorovaných momentů hybnosti. Planety měly vznikat z velké části koncentricky rotujících drobků prachového disku a mladé slunce vzniklo jen z jeho vnitřní kulově souměrné části, kde se převládající rotační moment na jeho výsledné dnešní rotaci tolik nepodílel. Ani tento koncept ale podle dnešních poznatků nevysvětluje vše, co ve sluneční soustavě pozorujeme. Zdroj:  Tufts University.

Protoplanetární disk – simulace

Levý obrázek ukazuje simulaci zobrazení protoplanetárního disku, který dle dnešních znalostí obklopuje mnoho mladých hvězd, jak by mohl být pozorován pomocí radioteleskopické sítě ALMAALMA – Atacama Large Millimeter Array. Síť 66 radioteleskopů o průměru 12,5 metru, kterou vybudovala Evropská jižní observatoř (ESO) v chilských Andách ve výšce 5100 m nad mořem na planině Llano Chajnantor v blízkosti městečka San Pedro de Atacama. Smlouva o stavbě byla podepsána v roce 2002, se stavbou se započalo na podzim 2003, stavba byla dokončena na konci roku 2012 a dnes je radioteleskopické pole v plném provozu.. Pravý obrázek zachycuje tutéž scénu zobrazenou nejlepšími radioteleskopy, kterými bylo možno pozorovat před uvedením sítě ALMA do provozu. Zdroj: A. Wootten, NRAO/AUI.

Mladý systém kolem hvězdy HD 142527 ve vzdálenosti 450 světelných rokůSvětelný rok (ly) – vzdálenost, kterou světlo ve vakuu urazí za jeden rok, 1 ly = 9,46×1012 km. od nás je dost blízko na to, aby mohly být v jeho protoplanetárním disku pozorovány dynamické změny celkové struktury. Pomocí koronografu NICI na dalekohledu Gemini South byl uvnitř souvislého plynného obalu těsně kolem hvězdy zjištěn malý vnitřní disk do vzdálenosti 10 AUAU – astronomická jednotka (Astronomical Unit), původně střední vzdálenost Země od Slunce, v roce 2012 ji IAU definovala jako 149 597 870 700 m přesně a změnila zkratku z AU na au. Astronomická jednotka se používá především pro určování vzdáleností ve sluneční soustavě, pro přibližné odhady postačí hodnota 150 milionů kilometrů.. Odtud se trhliny či mezery táhnou až do vzdálenosti 140 AU, kde začíná opět souvislý vnější disk, jehož vnější okraj dosahuje poloměru alespoň 300 AU. Postupné snímkování ukázalo dynamické změny trhlin a také náznaky spirálových ramen ve vnějším disku, které se s postupujícím časem vyvíjejí. Na základě hydrodynamických simulací by mohla být příčinou této struktury velká planeta odpovídající desetinásobné hmotnosti Jupiterově a pohybující se zhruba ve vzdálenosti 90 AU od centrální hvězdy. Matematickými simulacemi byla vyloučena planeta do vzdálenosti 35 AU.

HD 142527

Systém HD 142527 na infračerveném snímku ve světle H2 z dalekohledu Gemini South. Zelená čísla 1, 2 označují mezery ve struktuře disku, červené křivky očíslované od 1 do 4 zvýrazňují spirální ramena disku. Modrý čtvereček označuje zhuštění – uzel – ve spirálním rameni. Zdroj: ArXiv.

Vnitřní disk, v němž je usazena centrální hvězda, musí být, vzhledem k jejímu vyzařovanému výkonu, neustále doplňován plynem z vnějších oblastí. Nejlépe z vnějšího disku. Pokud by se tak nedělo, vlivem akrece na hvězdu by tento disk nevydržel stabilní déle než rok. Vnější disk je tedy jakýmsi zásobníkem, ze kterého postupně mladá hvězda saje látku a roste. Infračervená pozorování provedená dalekohledem Gemini zobrazila oblast HD 142527 ve světle molekulárního vodíku. Rádiová teleskopická síť ALMAALMA – Atacama Large Millimeter Array. Síť 66 radioteleskopů o průměru 12,5 metru, kterou vybudovala Evropská jižní observatoř (ESO) v chilských Andách ve výšce 5100 m nad mořem na planině Llano Chajnantor v blízkosti městečka San Pedro de Atacama. Smlouva o stavbě byla podepsána v roce 2002, se stavbou se započalo na podzim 2003, stavba byla dokončena na konci roku 2012 a dnes je radioteleskopické pole v plném provozu. je ale schopna zobrazit i jiné molekuly, jako například CO, nebo ionty HCO+. V takto zobrazených strukturách je možné se ve vysokém rozlišení podívat i do vnitřních oblastí systému. V rádiovém obraze zde, bez zastínění centrální hvězdy, zřetelně vystoupí mosty propojující vnější disk s vnitřním diskem podobně jako loukotě na kole spojují ráfek s nábojem. Podle naměřených hodnot rychlostí a odhadovaných koncentrací látky v loukotích jimi protéká množství látky odpovídající 7×10−9 až 2×10−7 hmotností Slunce za rok. Naměřená hvězdná akrece 7×10−8 hmotností Slunce ročně tomu také odpovídá. Vysvětlení takové struktury by mohlo být následující: nově vznikající hvězda nasává látku prostřednictvím vnitřního akrečního disku, do kterého proudí materiál z vnějších oblastí. Propojující mosty, kterými plyn přitéká, jsou udržovány čerstvě vznikajícími planetami ve velkých vzdálenostech desítek AUAU – astronomická jednotka (Astronomical Unit), původně střední vzdálenost Země od Slunce, v roce 2012 ji IAU definovala jako 149 597 870 700 m přesně a změnila zkratku z AU na au. Astronomická jednotka se používá především pro určování vzdáleností ve sluneční soustavě, pro přibližné odhady postačí hodnota 150 milionů kilometrů.. Tyto planety ale také čerpají látku z vnějšího disku. Celé to připomíná obří čerpací stanici velikosti sluneční soustavy. Jde možná o nalezení mechanismu, kterým mohly vzniknout velké plynné planety i v naší sluneční soustavě. Podobný děj nasávání plynu do neustále se koncentrující nahuštěniny byl prozatím ve vesmíru pozorován u velkorozměrových struktur a snad by mohl být i jednou z možností, jak vznikají galaktické soustavy (viz AB 23/2012). Zde jde ale o trochu jiné měřítko. Pokud je tento scénář a vysvětlení napozorovaných dat správné, znamená to, že velké planety vznikají souběžně s centrální hvězdou a oba typy těchto nebeských těles vyrůstají souběžně z vnějšího zásobního plynného disku. Prozatím není jasné, zda souběžně vznikají také planety zemského typu, je ale možné, že pokud nová sluneční soustava taková rozdílná tělesa obsahuje, může jít o objekty rozdílného stáří. Plynné planety vznikly souběžně s mladým sluncem a kamenné planety se zformovaly až mnohem později.

HD 142527 s plynnými mosty

Systém HD 142527 nakreslený podle dat napozorovaných radioteleskopy ALMA. Vnější plynný hustý disk jako zásobárna látky pro rostoucí slunce je propojen plynnými mosty s centrální oblastí. Planety, které mosty udržují, aby jimi látka mohla proudit, jsou zakresleny červeně. Nová rodící se hvězda září žlutě. Zdroj: NRAO.

Snímek systému HD 142527 pořízený sítí ALMA

Snímek systému HD 142527 pořízený sítí ALMA. Prach ve vnějším disku je zobrazen červeně. Hustý plyn, který se táhne napříč diskem a mezerami uvnitř, je vybarven zeleně. Rozptýlený plyn v centrální oblasti je zobrazen modře. Propojující plynné mosty jsou zřetelné na třetí a desáté hodině, plyn jimi proudí z vnějšího disku do centra. Hustý plyn je pozorován v emisi HCO+, rozptýlený plyn je CO. Vnější disk měří v průměru dva světelné dny. Zdroj: ALMA.

Interpretace předchozího snímku – jak bychom mohli snad vidět nově vznikající
planetární systém HD 142527 z větší blízkosti. Zdroj: ALMA.

Klip týdne: Radioteleskopová síť ALMA

Radioteleskopová síť ALMA ve výšce 5 080 m nad mořem v chilských Andách na planině Chajnantor. Rádiové mísy pracují synchronizovaně a sledují obvykle všechny naráz stejný objekt na obloze. Výsledný záznam se pak skládá metodou aperturní syntézy. Záznam začíná západem Měsíce, jehož světlem jsou antény zepředu ozářeny. V průběhu celonočního snímání pohybujících se teleskopů postupně ze zorného pole zmizí Mléčná dráha a objeví se nejprve Malé a později i Velké Magellanovo mračno.

Odkazy

Valid HTML 5 Valid CSS!

Aldebaran Homepage