세 개의 철 고리가 행성 형성을 재정의할 수 있는 방법

광물과 금속이 행성 구성 요소의 저장소 역할을 하는 항성 원반의 행성 형성 영역에 있는 3개의 고리 구조입니다.

막스플랑크 천문학연구소(MPIA)의 천문학자들을 포함한 연구팀이 어린 별의 내부 행성 형성 원반에서 3개의 고리로 이루어진 행성의 보육원 구조를 발견했습니다. 이 구성은 두 가지를 제안합니다. 목성– 고리 사이의 틈에 질량이 있는 행성이 형성됩니다. 자세한 분석은 먼지 구성을 보완하는 풍부한 고체 철 입자와 일치합니다. 결과적으로 디스크에는 태양계의 지구 행성에서 발견되는 것과 유사한 미네랄과 금속이 포함되어 있을 가능성이 높습니다. 이는 40억년 전 수성과 같은 암석 행성이 형성되는 초기 태양계와 유사한 조건을 엿볼 수 있게 해줍니다. 금성그리고 지구.

행성 형성 원반에 있는 세 개의 철 고리

지구와 태양계의 기원은 과학자와 대중 모두에게 영감을 줍니다. 연구자들은 우리 고향 행성과 태양계에 있는 다른 천체의 현재 상태를 연구함으로써 약 45억년 전 유아 태양을 둘러싸고 있는 먼지와 가스 원반에서 진화한 조건에 대한 자세한 그림을 개발했습니다.

세 개의 고리는 두 개의 행성을 나타냅니다.

먼 천체를 대상으로 한 별과 행성 형성 연구가 놀라운 진전을 이루면서 이제 우리는 어린 별을 둘러싼 환경의 조건을 탐색하고 이를 초기 태양계의 조건과 비교할 수 있습니다. 유럽남부천문대(European Southern Observatory)를 이용하여에소) 매우 큰 망원경 VLTI는 헝가리 부다페스트에 있는 Konkoli 천문대의 Józef Varga가 이끄는 국제 연구진이 수행한 작업입니다. 그들은 약 500광년 떨어진 어린 별 HD 144432의 행성 형성 원반을 관찰했습니다.

칠레 아타카마 사막의 세로 파라날(Cerro Paranal) 꼭대기에 있는 유럽 남부 천문대의 초대형 망원경(VLT)을 공중에서 본 모습. VLTI(VLT 간섭계)는 4개의 망원경의 빛을 결합하여 먼 천체의 고해상도 이미징을 가능하게 합니다. 사진 출처: G.Hüdepohl(atacamaphoto.com)/ESO

Roy van Bokel은 “원반 내부 영역의 먼지 분포를 연구함으로써 이러한 환경에서 3개의 동심원 고리에 먼지가 쌓이는 복잡한 구조를 처음으로 발견했습니다.”라고 말했습니다. 그는 독일 하이델베르그에 있는 막스 플랑크 천문학 연구소(MPIA)의 과학자이며 저널에 게재된 주요 연구 논문의 공동 저자입니다. 천문학과 천체물리학. “이 지역은 태양계에서 암석 행성이 형성된 지역에 해당합니다.”라고 Van Bokel은 덧붙입니다. 태양계와 비교하면 HD 144432 주변의 첫 번째 고리는 수성 궤도 내에 있고 두 번째 고리는 수성 궤도에 가깝습니다. 화성경로. 게다가 세 번째 고리는 대략 목성의 궤도와 일치합니다.

지금까지 천문학자들은 우주 바깥에 위치한 세계에 해당하는 더 큰 규모의 그러한 형성을 주로 발견했습니다. 토성 그것은 태양을 중심으로 회전합니다. 어린 별을 둘러싸고 있는 원반에서 발견되는 고리 시스템은 일반적으로 먼지와 가스가 경로에 축적되면서 행성이 틈새 내에 형성되었음을 나타냅니다. 그러나 HD 144432는 호스트 별에 매우 가까운 복잡한 고리 시스템의 첫 번째 예입니다. 이는 지구와 같은 암석 행성의 구성 요소인 먼지가 풍부한 지역에서 발생합니다. 천문학자들은 고리가 틈새 내에 형성되는 두 개의 행성의 존재를 나타낸다고 가정하고 그 질량이 목성과 거의 유사하다고 추정했습니다.

조건은 초기 태양계와 유사할 수 있습니다.

천문학자들은 중심별에서 분리될 때까지 원반 전체의 먼지 구성을 결정했는데, 이는 목성과 태양 사이의 거리에 해당합니다. 그들이 발견한 것은 지구와 태양계의 암석 행성을 연구하는 과학자들에게 매우 친숙한 것입니다. 다양한 규산염(실리콘-산소 금속 화합물)과 지구의 지각과 맨틀에서 발견되는 기타 광물, 그리고 아마도 수성과 지구에서 발견되는 금속 철일 수도 있습니다. 코어. 만약 확인된다면, 이 연구는 행성을 형성하는 원반에서 철을 발견한 최초의 연구가 될 것입니다.

이 그림은 VLTI로 관찰한 HD 144432의 개략도입니다. 데이터는 3개의 동심원 고리 구조와 일치합니다. 고리 사이의 간격은 일반적으로 모성 주위의 궤도를 따라 먼지와 가스가 부착되어 큰 행성이 ​​형성된다는 것을 나타냅니다. 규산염 광물은 주로 내부 핫존에 결정으로 존재합니다. VLTI 피드백은 콜드 외부 디스크를 제한할 수 없습니다. 출처: © J. Varga et al. / MPIA

“지금까지 천문학자들은 우리가 우주의 거의 모든 곳에서 볼 수 있는 물질인 탄소와 규산염 먼지가 혼합된 먼지 원반에 대한 관찰을 설명했습니다.”라고 Van Bokel은 설명합니다. 그러나 화학적 관점에서 볼 때 철-규산염 혼합물은 뜨거운 내부 디스크 영역에서 더 적합합니다. 실제로 연구 원문의 주 저자인 바르가(Varga)가 데이터에 적용한 화학 모델은 탄소 대신 철을 도입했을 때 더 나은 결과를 산출했다.

게다가 HD 144432에서 관찰된 먼지의 온도는 1,800K(약 1,500도)에 달할 수 있다. 섭씨) 내부 가장자리는 300K(약 25°C)의 적당한 온도입니다. 금속과 철은 별 근처의 뜨거운 지역에서 다시 녹고 응축되어 종종 결정체로 변합니다. 대조적으로, 탄소 입자는 열에서 살아남지 못하고 대신 일산화탄소 또는 이산화탄소 가스로 존재합니다. 그러나 탄소는 여전히 차가운 외부 디스크에 있는 고체 입자의 중요한 구성 요소일 수 있으며, 이 연구에서는 이를 추적할 수 없습니다.

철분이 풍부하고 탄소가 부족한 먼지도 태양계의 조건에 매우 적합합니다. 수성과 지구는 철이 풍부한 행성인 반면, 지구에는 탄소가 상대적으로 적습니다. “우리는 디스크 HD 144432가 오늘날 우리가 알고 있는 암석 행성에 많은 양의 철을 제공했던 초기 태양계와 매우 유사할 수 있다고 생각합니다.”라고 van Bokel은 말합니다. “우리의 연구는 우리 태양계의 형성이 매우 전형적일 수 있음을 보여주는 또 다른 예일 수 있습니다.”

간섭계는 작은 세부 사항을 해결합니다.

결과 검색은 VLTI에서 제공하는 예외적으로 고해상도 관찰을 통해서만 가능했습니다. 유럽남부천문대(European Southern Observatory) 파라날 천문대(Paranal Observatory)에 있는 8.2m VLT 망원경 4대를 결합하면 마치 천문학자들이 200m 주경이 달린 망원경을 사용하는 것처럼 세부적인 부분까지 분해할 수 있다. Varga, van Bokel 및 그 동료들은 적외선을 나타내는 1.6~13 마이크로미터의 넓은 파장 범위를 달성하기 위해 세 가지 장비를 사용하여 데이터를 수집했습니다.

MPIA는 GRAVITY와 MATISSE(Multi-Aperture Mid-Infrared SpectroScopic Experiment)라는 두 가지 장비에 생명공학 요소를 제공했습니다. Mattis의 주요 목표 중 하나는 어린 별 주위의 암석 행성 형성 지역을 연구하는 것입니다. MPIA 이사이자 연구원인 Thomas Henning은 “별 주위의 원시행성 원반 내부를 관찰함으로써 우리는 원반에 포함된 다양한 광물, 즉 나중에 지구와 같은 행성의 고체 구성 요소를 형성하게 될 광물의 기원을 탐구하는 것을 목표로 합니다.”라고 말합니다. MATISSE 도구의 참가자 PI입니다.

그러나 개별 망원경에서 얻는 것과 같은 간섭계 이미지를 생성하는 것은 쉽지도 않고 시간도 많이 걸립니다. 물체 구조를 해독하기 위해 귀중한 관찰 시간을 가장 효율적으로 사용하는 것은 희소 데이터를 가능한 표적 구성 모델과 비교하는 것입니다. HD 144432의 경우 3링 구조가 데이터를 더 잘 표현합니다.

철분이 풍부한 행성 형성 원반은 얼마나 흔합니까?

태양계 외에도 HD 144432는 철이 풍부한 환경에서 형성되는 행성의 또 다른 예를 제공하는 것으로 보입니다. 그러나 천문학자들은 거기서 멈추지 않을 것이다. Van Bokel은 “아직도 VLTI가 자세히 살펴보기를 기다리는 몇 가지 유망한 후보자가 있습니다.”라고 지적합니다. 이전 관측에서 팀은 재검토할 가치가 있는 구성을 나타내는 어린 별 주위에 수많은 원반을 발견했습니다. 그러나 그들은 최첨단 VLTI 장치를 사용하여 상세한 구조와 화학을 밝힐 것입니다. 결국 천문학자들은 행성이 일반적으로 모항성 근처의 철분이 풍부한 먼지 원반에서 형성되는지 여부를 명확히 할 수 있을 것입니다.

참고: J. Varga, LBFM Waters, M. Hogerheijde, R. van Boekel, A. Matter, B. Lopez, K. Perraut, “HD 144432의 내부 다중고리 원반에 있는 철분이 풍부한 먼지에 대한 중적외선 증거” L. Chen, D. Nadella, S. Wolf, C. Dominik, Á. 코스발, B. 아브라함, J.-C. 오제로, P. 폴리, J. 보르다로트, A. Carati 또는 Jarati, F. 크루즈 산즈 데 미라, W. C. Danchi, V. Gamez Rosas, Th. 헤닝, K.-H. 호프만, M. 홀리, J.W. 이스벨, W. 재피, T. 유하스, V. 켁케메티, J. 코보스, E. 코쿨리나, L. 라바디, F. 레코, F. 멜러, A. 무어, N. 모루가오, E. 판틴, D. 셰르텔, M. 쉬크, L. 반 해스터, J. 바이겔트, J. 웰스와 B. Woytek, 2024년 1월 8일, 천문학과 천체물리학.
도이: 10.1051/0004-6361/202347535

이 연구에 참여한 MPIA 연구원은 Roy van Boekel, Marten Scheuck, Thomas Henning, Jacob W. Isbell, Ágnes Kóspál(헝가리 부다페스트 Konkoli 천문대, HUN-REN 천문학 및 지구 과학 연구 센터)입니다. [Konkoly]; CSFK, MTA 우수 센터, 부다페스트, 헝가리 [CSFK]; ELTE Eötvös Loránd University, 부다페스트, 헝가리 [ELTE]), Alessio Carati 또는 Garatti(이탈리아 나폴리 소재 INAF-Osservatorio Astronomico di Capodimonte).

다른 주주는 J. Varga (Concoli, CSFK, 네덜란드 라이덴 천문대). [Leiden]), LBFM Waters(네덜란드 네이메헌의 Radboud 대학교; 네덜란드 라이덴 SRON), M. Hogerheijde(레이덴; 네덜란드 암스테르담 대학교) [UVA]), ㅏ. Mater (Observatoire de la Côte d'Azur/CNRS, 니스, 프랑스 [OCA]), 비. 로페즈(OCA), K. 페루(Université Grenoble Alpes/CNRS/IPAG, 프랑스 [IPAG]), L. Chen(Konkoly; CSFK), D. Nadella(Leiden), S. Wolf(독일 킬 대학교) [UK]), C. 도미니크(UVA), P. 아브라함(Konkoli; CSFK; ELTE), J.-C. Augereau(IPAG), P. Boley(OCA), G. Bourdarot(막스 플랑크 외계 물리학 연구소, 독일 Garching), F. Cruz-Saénz de Miera(Konkoly, CSFK, 프랑스 툴루즈 대학교), W. C. Danchi(NASA 고다드 우주 비행 센터(미국 그린벨트), V. Gámez Rosas(라이덴), K.-H. 호프만(독일 본, 막스플랑크 전파천문학연구소) [MPIfR]), M. Houllé(OCA), W. Jaffe(Leiden), T. Juhász(Konkoly; CSFK; ELTE), V. Kecskeméthy(ELTE), J. Kobus(영국), E. Kokoulina(벨기에 리에주 대학교) OCA), L. Labadie(독일 쾰른 대학교), F. Lykou(Konkoly; CSFK), F. Millour(OCA), A. Moór(Konkoly; CSFK), N. Morujão(Universidade de Lisboa 및 Universidade do 포르투, 포르투갈), E. Pantin(AIM, CEA/CNRS, Gif-sur-Yvette, 프랑스), D. Schertl(MPIfR), L. van Haastere(Leiden), G. Weigelt(MPIfR), J. Woillez(유럽 남부 천문대, Garching, 독일 ), P. Woitke(오스트리아 그라츠 소재 오스트리아 과학 아카데미 우주 연구 연구소), MATISSE 및 GRAVITY 협업