Obecna liczba egzoplanet - liczba planet, które astronomowie znaleźli na orbitach wokół innych gwiazd - wynosi 312. To dużo planet. Ale może pomóc, jeśli dokładnie wiemy, gdzie szukać. Nowe badania z wykorzystaniem symulacji superkomputerów zakurzonych dysków wokół gwiazd podobnych do Słońca pokazują, że planety tak małe jak Mars mogą tworzyć wzory w pyle, które przyszłe teleskopy mogą wykryć. Badania wskazują na nową drogę w poszukiwaniu planet nadających się do zamieszkania. „Może minąć trochę czasu, zanim będziemy mogli bezpośrednio zobrazować ziemskie planety wokół innych gwiazd, ale wcześniej będziemy w stanie wykryć ozdobne i piękne pierścienie, które rzeźbią w pyle międzyplanetarnym”, mówi Christopher Stark, główny badacz badania na University of Maryland, College Park.
Współpracując z Markiem Kuchnerem w NASA Goddard Space Flight Center w Greenbelt, MD, Stark modelował reakcję 25 000 cząstek pyłu na obecność jednej planety - od masy Marsa po pięciokrotnie większą masę Ziemi - krążącą wokół gwiazdy podobnej do Słońca. Korzystając z superkomputera NASA Thunderhead w Goddard, naukowcy przeprowadzili 120 różnych symulacji, które różniły wielkość cząstek pyłu oraz masę i odległość orbity planety.
„Nasze modele wykorzystują dziesięć razy więcej cząstek niż poprzednie symulacje. To pozwala nam badać kontrast i kształty struktur pierścieniowych ”- dodaje Kuchner. Na podstawie tych danych naukowcy zmapowali gęstość, jasność i charakterystykę cieplną wynikające z każdego zestawu parametrów.
„Nie docenia się powszechnie faktu, że systemy planetarne - w tym nasz własny - zawierają dużo pyłu” - dodaje Stark. „Zamierzamy wykorzystać ten pył do pracy dla nas”.
Duża część pyłu w naszym Układzie Słonecznym tworzy się wewnątrz orbity Jowisza, gdy komety kruszą się w pobliżu Słońca i zderzają się asteroidy wszystkich rozmiarów. Pył odbija światło słoneczne i czasami może być postrzegany jako blask nieba w kształcie klina - zwany światłem zodiakalnym - przed wschodem lub po zachodzie słońca.
Modele komputerowe uwzględniają reakcję pyłu na grawitację i inne siły, w tym światło gwiazdy. Światło gwiazd wywiera niewielki opór na małe cząstki, co powoduje, że tracą one energię orbitalną i dryfują bliżej gwiazdy.
„Cząstki kręcą się do wewnątrz, a następnie zostają tymczasowo uwięzione w rezonansach z planetą” - wyjaśnia Kuchner. Rezonans zachodzi, ilekroć okres orbity cząsteczki ma niewielki stosunek - na przykład dwie trzecie lub pięć szóstych - planety.
Na przykład, jeśli cząstka pyłu wykonuje trzy orbity wokół swojej gwiazdy za każdym razem, gdy planeta ją ukończy, cząstka wielokrotnie będzie odczuwać dodatkowe przyciąganie grawitacyjne w tym samym punkcie na swojej orbicie. Przez pewien czas ten dodatkowy szturchaniec może zrównoważyć siłę oporu światła gwiazd, a pył może osiąść w subtelne struktury przypominające pierścienie.
„Cząsteczki spiralnie zbliżają się do gwiazdy, zostają uwięzione w jednym rezonansie, wypadają z niej, spirale jeszcze więcej, zostają uwięzione w innym rezonansie i tak dalej,” mówi Kuchner. Uwzględnienie złożonego wzajemnego oddziaływania sił na dziesiątki tysięcy cząstek wymagało matematycznej mocy superkomputera.
Niektórzy naukowcy zauważają, że obecność dużych ilości pyłu może stanowić przeszkodę w bezpośrednim obrazowaniu planet podobnych do Ziemi. Przyszłe misje kosmiczne - takie jak James Webb Space Telescope NASA, obecnie w budowie i planowany do uruchomienia w 2013 r. Oraz proponowana wyszukiwarka planet ziemskich - będą badać pobliskie gwiazdy za pomocą zakurzonych dysków. Modele stworzone przez Starka i Kuchnera dają astronomom podgląd struktur pyłu, które sygnalizują obecność skądinąd ukrytych światów.
„Nasz katalog pomoże innym wnioskować o masie i odległości orbity planety, a także o dominujących rozmiarach cząstek w pierścieniach”, mówi Stark.
Stark i Kuchner opublikowali swoje wyniki w numerze The Astrophysical Journal z 10 października. Stark udostępnił swój atlas symulacji pyłu egzo-zodiakalnego online.
Źródło: Goddard Space Flight Center
