Jak powstają układy planetarne, takie jak nasz Układ Słoneczny – i jak wcześnie w życiu gwiazdy planety zaczynają kształtować swoje orbity? Najnowsza analiza danych z teleskopu kosmicznego Gaia Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA), w połączeniu z obserwacjami radioteleskopu ALMA w Chile, dostarcza najbardziej szczegółowego jak dotąd statystycznego wglądu w to, co dzieje się w wewnętrznych częściach dysków protoplanetarnych wokół bardzo młodych gwiazd. W 31 z 98 przeanalizowanych młodych układów astronomowie zauważyli subtelne „kołysanie” gwiazd, które ujawnia ukryte towarzystwo: planety, brązowe karły i dodatkowe gwiazdy.

Od obłoków gazu do „niemowlęcego” układu gwiezdnego

Każdy układ gwiezdny zaczyna się jako ogromny, zimny obłok gazu i pyłu w przestrzeni międzygwiezdnej. Pod wpływem własnej grawitacji obłok zaczyna się zapadać. Gdy materia spływa w stronę centrum, obłok przyspiesza, spłaszcza się i przyjmuje formę rotującego dysku. W centrum formuje się gęste, żarzące się jądro – przyszła gwiazda – podczas gdy wokół niej rozciąga się dysk protoplanetarny, rezerwuar materiału, z którego powstają planety, księżyce i mniejsze ciała.

W części takich dysków astronomowie zauważają dużą wewnętrzną „pustą” przestrzeń, lukę w pyle w odległościach od kilku do kilkudziesięciu jednostek astronomicznych (AU) od gwiazdy. Obiekty te nazywane są dyskami przejściowymi. Luki nie są tak naprawdę całkowicie puste – nadal znajduje się w nich gaz i drobne cząstki – ale brak pyłu jest widoczny na falach podczerwonych i milimetrowych. Jednym z głównych wyjaśnień przez długi czas było to, że luki są wycinane przez masywną planetę lub kilka planet, które „czyszczą” swoje orbity.

Dzięki interferometrowi ALMA astronomowie w ostatnich latach fotografują dyski przejściowe z niesamowitą rozdzielczością przestrzenną. Na kolażach uzyskanych przez ALMA dyski są często przedstawiane w odcieniach pomarańczu i fioletu, przy czym jaśniejsze pierścienie oznaczają skupiska pyłu milimetrowego. W najnowszej pracy część tych obrazów ALMA – 31 „niemowlęcych” układów gwiezdnych – została złożona we wspólny obraz, na którym w prawym dolnym rogu znajduje się również rekonstrukcja młodego Układu Słonecznego w wieku około miliona lat, z zaznaczoną orbitą Jowisza jako punktem odniesienia.

Gaia: teleskop kosmiczny, który mierzy „zachwiania” gwiazd

Teleskop kosmiczny Gaia został wystrzelony w 2013 roku z podstawowym zadaniem stworzenia trójwymiarowej mapy naszej Galaktyki. W ciągu ponad dziesięciu lat pracy mierzył pozycje, odległości i ruchy około 2,5 miliarda gwiazd z precyzją, którą wcześniej uważano za nieosiągalną. Zamiast klasycznego „obrazu”, Gaia wielokrotnie skanuje całe niebo i rejestruje drobne przesunięcia gwiazd na niebie – astrometrię – w rozmiarach kątowych rzędu mikrosekund łuku.

Jeśli wokół jakiejś gwiazdy znajduje się masywny towarzysz, czy to planeta, brązowy karzeł, czy inna gwiazda, grawitacja tego obiektu poruszy nie tylko satelitę, ale i samą gwiazdę. Zamiast spokojnie ślizgać się w przestrzeni, gwiazda kreśli maleńką spiralę wokół wspólnego środka ciężkości układu. Gaia może zarejestrować właśnie to „zachwianie” – kołysanie astrometryczne – jako odchylenie od oczekiwanego ruchu prostoliniowego. Im masywniejszy jest towarzysz i im szersza jest jego orbita, tym łatwiej zauważyć ten sygnał.

Technika ta została już wykorzystana do odkrywania masywnych planet i brązowych karłów wokół starszych gwiazd. W 2025 roku, na przykład, analiza danych z Gai potwierdziła istnienie super-Jowisza Gaia-4b i brązowego karła Gaia-5b wokół dwóch gwiazd o małej masie, przy czym Gaia po raz pierwszy samodzielnie odkryła egzoplanetę wyłącznie metodą astrometrii. Jednak nowe badanie poszło o krok dalej: ta sama metoda została teraz zastosowana do gwiazd, które są dopiero w fazie formowania i wciąż są zanurzone w dyskach protoplanetarnych.

Statystyczne polowanie na towarzyszy w 98 dyskach przejściowych

Zespół kierowany przez Miguela Vioque z Europejskiego Obserwatorium Południowego (ESO) skupił się na 98 młodych gwiazdach z dyskami przejściowymi. Są to obiekty, których struktura została już szczegółowo zbadana przez ALMA, co oznacza, że rozmiar i kształt ich luk w pyle są dobrze znane. Celem było uzyskanie odpowiedzi na dwa powiązane pytania: jak często takie dyski w ogóle posiadają masywnych towarzyszy w wewnętrznych częściach układu i czy ci towarzysze rzeczywiście mogą być odpowiedzialni za powstawanie zaobserwowanych luk w pyle.

Korzystając z najnowszych danych Gai, badacze obliczyli tzw. anomalie ruchu własnego – różnicę między oczekiwanym a zmierzonym ruchem każdej gwiazdy po niebie – oraz przeanalizowali parametr RUWE, który mierzy, jak dobrze prosty model punktowy Gai opisuje obserwacje. Znaczne odchylenie zwykle oznacza, że za „prostą” gwiazdą kryje się bardziej złożony układ z towarzyszem.

Analiza pokazuje, że 31 z 98 dysków przejściowych (około 32% próbki) wykazuje przekonujące anomalie astrometryczne, które najlepiej wyjaśnia obecność ukrytego towarzysza. Modelując kombinację masy i półosi wielkiej orbity, która może wytworzyć zaobserwowany sygnał, autorzy wykazali, że Gaia w tej próbce jest w stanie typowo wykryć towarzyszy o stosunku masy większym niż około 1% masy gwiazdy, w odległościach od około 0,1 do 30 AU. W tłumaczeniu mowa o obiektach o masie od kilku Jowiszów aż po gwiazdy o niskiej masie na orbitach obejmujących obszar, w którym w naszym układzie krążą Ziemia, Jowisz i Saturn.

Siedmiu kandydatów o masie planetarnej, brązowe karły i dodatkowe gwiazdy

Najbardziej ekscytującym wynikiem badania jest identyfikacja siedmiu układów, w których sygnał astrometryczny jest zgodny z towarzyszem o masie planetarnej, mniejszym niż około 13 mas Jowisza. Są to gwiazdy HD 100453, J04343128+1722201, J16102955-3922144, MHO 6, MP Mus, PDS 70 i Sz 76. Niektóre z tych obiektów są już znane ze swoich interesujących dysków lub nawet wcześniej odkrytych planet, ale Gaia dostarcza teraz niezależnego potwierdzenia, że w ich wewnętrznych strefach rzeczywiście działają masywni grawitacyjni „architekci”.

W ośmiu innych układach dane najlepiej zgadzają się z istnieniem brązowych karłów – obiektów o masie pomiędzy najmasywniejszymi planetami a najmniejszymi gwiazdami, które nie mają wystarczającej masy, aby trwale utrzymywać fuzję wodoru w jądrze. Takie „nieudane” embriony gwiezdne są szczególnie interesujące, ponieważ zacierają granicę między planetami a gwiazdami: czy powstają jak gwiazdy, poprzez bezpośredni zapad obłoku, czy jak planety, poprzez gromadzenie materiału w dysku?

Pozostała część detekcji – według szacunków około szesnastu przypadków – prawdopodobnie reprezentuje dodatkowe gwiazdy o niskiej masie w układach podwójnych lub wielokrotnych. W tych przypadkach towarzysz jest tak masywny, że według wszystkich kryteriów należy do domeny gwiazdowej, mimo że nadal rozwija się w otoczeniu pozostałego dysku gazu i pyłu. Podsumowując, większość zaobserwowanych towarzyszy jest masywniejsza niż 30 mas Jowisza, co oznacza, że dyski przejściowe często skrywają nieoczekiwanie „ciężkie” towarzystwo.

Luki w dyskach: gdzie są planety, które je wycięły?

Jednym z kluczowych pytań, które motywowały tę analizę, było: czy zaobserwowani towarzysze mogą wyjaśnić duże luki w pyle, które widzimy na zdjęciach ALMA dysków przejściowych? Intuicyjnie masywna planeta lub brązowy karzeł na odpowiedniej orbicie powinny „wyczyścić” materiał w swoim otoczeniu, tworząc struktury pierścieniowe i otwory w dysku. Jednak wyniki pokazują, że historia jest bardziej złożona.

W przypadku około połowy wykrytych towarzyszy – autorzy podają około 53% przypadków – proste modele nie pozwalają pogodzić ich parametrów orbitalnych i masy z rozmiarem i kształtem luk w pyle. Innymi słowy, nawet gdy wiemy, że towarzysz istnieje, wydaje się, że nie może on sam stworzyć struktury dysku, którą obserwujemy. W tych przypadkach luki prawdopodobnie powstają w wyniku działania innych, jak dotąd nieodkrytych towarzyszy w większych odległościach, lub w połączeniu z procesami takimi jak fotoewaporacja dysku przez wysokoenergetyczne promieniowanie gwiazdy, pola magnetyczne i turbulencje w gazie.

Wyniki te wpisują się w szerszą „rewolucję dysków przejściowych”, która trwa od ponad dekady. Systematyczne obserwacje za pomocą ALMA pokazały, że pierścienie, łuki i spirale w dyskach nie są wyjątkiem, lecz regułą. Dla części tych struktur bezpośrednio odkryto planety, które je tworzą, ale w wielu przypadkach wciąż brakuje „winowajcy”. Astrometryczne spojrzenie Gai potwierdza teraz, że w dyskach przejściowych istnieje bogaty inwentarz masywnych towarzyszy, ale także, że sama ich obecność nie zawsze daje proste wyjaśnienie wszystkiego, co widzimy.

Młody Układ Słoneczny jako punkt odniesienia

W wizualizacji nowego badania szczególnie interesujący jest panel poświęcony naszemu własnemu układowi. Badacze zrekonstruowali, jak Układ Słoneczny mógł wyglądać w wieku około miliona lat, kiedy planety dopiero powstawały z dysku protoplanetarnego. Słońce zostało umieszczone w centrum obrazu (choć nie zostało pokazane bezpośrednio), a orbitę Jowisza oznacza niebieski (cyjanowy) pierścień. Pierścień ten jest używany również w pozostałych panelach jako odniesienie do porównania skali: o ile „niemowlęce” układy gwiezdne są większe lub mniejsze od tego, z którego powstał nasz dom.

Taki obraz pozwala czytelnikowi intuicyjnie zrozumieć, o jakich odległościach mowa. Podczas gdy niektóre dyski przejściowe mają luki mniejsze niż orbita Jowisza, inne rozciągają się daleko poza nią, w obszar, gdzie w naszym układzie krążą Uran i Neptun. Zrozumienie, jak planety formują się i migrują w tych dyskach, oznacza ostatecznie zrozumienie, dlaczego nasz Układ Słoneczny stał się właśnie taki, z czterema planetami skalistymi w części wewnętrznej i czterema olbrzymami w zewnętrznej.

Co nowe odkrycie mówi o powstawaniu planet

Połączenie astrometrii Gai i obrazów ALMA dysków przejściowych otwiera nową fazę w badaniach nad powstawaniem planet. W przeciwieństwie do pojedynczych spektakularnych odkryć, badanie to zapewnia statystyczny wgląd w całą próbkę prawie stu młodych układów gwiezdnych. Gdy wyniki te zostaną zestawione z modelami teoretycznymi, staje się jasne, że luk w pyle nie zawsze można wyjaśnić jedną gigantyczną planetą: często bardziej prawdopodobne jest, że mamy do czynienia z wieloma planetami, kombinacją planet i brązowych karłów lub planetami ukrywającymi się w większych odległościach niż te, na które Gaia jest obecnie najbardziej wrażliwa.

Z drugiej strony, sukces Gai w znajdowaniu towarzyszy w dyskach przejściowych potwierdza, że masywne obiekty rzeczywiście formują się bardzo wcześnie, dopóki dysk jeszcze istnieje. Wpisuje się to w szerszy obraz, jaki dają inne niedawne odkrycia. Na przykład obserwacje młodego układu HOPS-315 teleskopem Jamesa Webba i ALMA w 2025 roku wykazały pierwsze ślady gorących ziaren mineralnych twardniejących w dysku mającym zaledwie kilkaset tysięcy lat – najwcześniejszych „nasion” przyszłych planet. Takie wyniki sugerują, że proces powstawania ciał stałych zaczyna się wyjątkowo wcześnie, a Gaia dodaje teraz dowód, że masywni towarzysze już wtedy mogą znacznie przekształcać dysk.

W ogólnym obrazie dyski przejściowe reprezentują fazę przejściową między „młodym” dyskiem wypełnionym gazem i pyłem a późniejszym stadium, w którym dominują planety i mniejsze ciała, takie jak asteroidy i komety. Zrozumienie roli towarzyszy w tej fazie jest kluczowe dla odpowiedzi na pytanie, jak bardzo do Układu Słonecznego podobne są lub odmienne typowe układy planetarne w naszej Galaktyce.

Gaia zakończyła obserwacje, ale dane dopiero zaczynają „pracować”

Mimo że teleskop kosmiczny Gaia na początku 2025 roku zakończył zbieranie danych naukowych, jego astrometryczna rewolucja będzie trwała jeszcze przez lata. Rutynowe obserwacje ustały 15 stycznia 2025 roku, a misja została formalnie zakończona wiosną tego samego roku. Do tego czasu zgromadzono bazę danych z informacjami o pozycjach, prędkościach i właściwościach fizycznych około 2,5 miliarda źródeł, od asteroid w Układzie Słonecznym po odległe kwazary.

Do tej pory publicznie udostępniono trzeci duży zbiór danych (DR3), ale w tle trwają już przygotowania do kolejnego kroku. Czwarta duża edycja danych, Gaia DR4, spodziewana jest w 2026 roku i będzie oparta na pierwszych 5,5 latach obserwacji. Powinny pojawić się w niej pierwsze duże kolekcje kandydatów na egzoplanety odkrytych metodą astrometrii, potencjalnie tysiące nowych planet i brązowych karłów wokół gwiazd w naszym kosmicznym sąsiedztwie.

Badanie dysków przejściowych prowadzone przez Vioque nawiązuje właśnie do tej nadchodzącej fali. Choć mowa o celowanej próbce „tylko” 98 gwiazd, metody opracowane w tej pracy wykazały, że dane z Gai można z powodzeniem zastosować również do młodych, zmiennych źródeł, gdzie dodatkowe procesy – takie jak dżety akrecyjne, plamy gwiazdowe i rozpraszanie światła w dysku – potencjalnie zakłócają sygnał astrometryczny. Autorzy wnioskują, że efekty te nie dominują i że astrometria może być solidnie wykorzystywana nawet w najwcześniejszych fazach życia gwiazd.

Synergia z teleskopami przyszłości

Lista towarzyszy, których Gaia zidentyfikowała teraz w dyskach przejściowych, stanowi idealny katalog celów do dalszych obserwacji. Teleskop Jamesa Webba, dzięki czułym instrumentom w podczerwieni, może „zajrzeć” w wewnętrzne części dysków i spróbować bezpośrednio wykryć promieniowanie cieplne młodych mas planetarnych lub zbadać skład chemiczny gazu w ich pobliżu. ALMA może dodatkowo rozróżnić strukturę pyłu i gazu wokół kandydatów odkrytych przez Gaię, podczas gdy przyszli ziemscy giganci, tacy jak Ekstremalnie Wielki Teleskop (ELT), będą mogli bezpośrednio fotografować niektóre z tych obiektów.

Taka synergia jest kluczowa dla zrozumienia powstawania planet. Gaia daje globalne, „dynamiczne” spojrzenie – pokazuje nam, jak gwiazda reaguje na grawitację towarzysza – podczas gdy ALMA, James Webb i inne teleskopy zapewniają „migawkę” samych dysków i planet. Razem oddzielą one przypadki, w których jeden masywny towarzysz dominuje w dynamice, od tych, w których za strukturę dysku odpowiadają liczne, być może mniej masywne planety rozmieszczone w różnych odległościach.

W miarę zbliżania się publikacji Gaia DR4 astronomowie spodziewają się, że liczba znanych towarzyszy – od planet po brązowe karły – w młodych i dojrzałych układach drastycznie wzrośnie. Najnowsze wyniki z dysków przejściowych pokazują, że prawdopodobnie znajdzie się wśród nich cała populacja ukrytych obiektów działających wewnątrz luk w pyle, dokładnie w regionach, w których, przynajmniej w naszym przypadku, znajdują się kluczowe budulce dla powstania światów potencjalnie nadających się do zamieszkania.