Kako nastaju planetarni sustavi poput našeg Sunčeva – i koliko rano u životu neke zvijezde planeti počinju oblikovati svoje putanje? Najnovija analiza podataka svemirskog teleskopa Gaia Europske svemirske agencije (ESA), u kombinaciji s promatranjima radioteleskopa ALMA u Čileu, daje dosad najdetaljniji statistički uvid u ono što se događa u unutarnjim dijelovima protoplanetarnih diskova oko vrlo mladih zvijezda. U 31 od 98 analiziranih mladih sustava astronomi su uočili suptilno “njihanje” zvijezda koje otkriva skriveno društvo: planete, smeđe patuljke i dodatne zvijezde.

Od oblaka plina do “bebe” zvjezdanog sustava

Svaki zvjezdani sustav počinje kao golemi, hladni oblak plina i prašine u međuzvjezdanom prostoru. Pod vlastitom gravitacijom oblak se počinje urušavati. Kako se materijal slijeva prema središtu, oblak se ubrzava, spljoštava i poprima oblik rotirajućeg diska. U središtu se formira gusta, užarena jezgra – buduća zvijezda – dok se oko nje prostire protoplanetarni disk, rezervoar materijala iz kojeg nastaju planeti, mjeseci i manja tijela.

Kod dijela takvih diskova astronomi uočavaju velik unutarnji “prazan” prostor, šupljinu u prašini na udaljenostima od nekoliko do nekoliko desetaka astronomskih jedinica (AU) od zvijezde. Ti se objekti nazivaju tranzicijskim diskovima. Praznine nisu doista potpuno prazne – u njima i dalje ima plina i finih čestica – ali nedostatak prašine vidljiv je na infracrvenim i milimetarskim valnim duljinama. Jedno od glavnih objašnjenja dugo je bilo da šupljine iskopa masivni planet ili više planeta koji “čiste” svoje orbite.

Zahvaljujući interferometru ALMA, astronomi posljednjih godina snimaju tranzicijske diskove s nevjerojatnom prostornom rezolucijom. Na kolážama dobivenim ALMA-om diskovi se često prikazuju u nijansama narančaste i ljubičaste boje, pri čemu svjetliji prstenovi označavaju nakupine milimetarske prašine. U najnovijem radu dio tih ALMA slika – 31 “beba” zvjezdani sustav – složen je u zajedničku sliku na kojoj se, u donjem desnom kutu, nalazi i rekonstrukcija mladog Sunčeva sustava u dobi od oko milijun godina, s naznačenom orbitom Jupitera kao referentom.

Gaia: svemirski teleskop koji mjeri “posrtanje” zvijezda

Svemirski teleskop Gaia lansiran je 2013. s primarnom zadaćom da izradi trodimenzionalnu kartu naše Galaksije. Tijekom više od deset godina rada mjerio je položaje, udaljenosti i kretanja oko 2,5 milijarde zvijezda s preciznošću koja se prije smatrala nedostižnom. Umjesto klasične “slike”, Gaia iznova skenira cijelo nebo i bilježi sitne pomake zvijezda na nebu – astrometriju – u kutnim veličinama reda mikro-lučnih sekundi.

Ako se oko neke zvijezde nalazi masivan pratitelj, bilo da je riječ o planetu, smeđem patuljku ili drugoj zvijezdi, gravitacija tog objekta neće pomicati samo satelit, nego i samu zvijezdu. Umjesto da mirno klizi kroz prostor, zvijezda opisuje sićušnu spiralu oko zajedničkog težišta sustava. Gaia upravo to “posrtanje” – astrometrijsko njihanje – može registrirati kao odstupanje od očekivanog pravocrtnog gibanja. Što je pratitelj masivniji i što je njegova orbita šira, lakše je uočiti taj signal.

Ta je tehnika već iskorištena za otkrivanje masivnih planeta i smeđih patuljaka oko starijih zvijezda. U 2025. godini, primjerice, analizom Gaia podataka potvrđeno je postojanje super-Jupitera Gaia-4b i smeđeg patuljka Gaia-5b oko dviju zvijezda male mase, pri čemu je Gaia po prvi put samostalno otkrila egzoplanet isključivo astrometrijom. No nova studija otišla je korak dalje: ista metoda sada je primijenjena na zvijezde koje su tek u fazi formiranja i još uvijek su uronjene u protoplanetarne diskove.

Statistički lov na pratitelje u 98 tranzicijskih diskova

Tim koji vodi Miguel Vioque iz Europskog južnog opservatorija (ESO) usredotočio se na 98 mladih zvijezda s tranzicijskim diskovima. Riječ je o objektima čija je struktura već detaljno proučena ALMA-om, što znači da su veličina i oblik njihovih šupljina u prašini dobro poznati. Cilj je bio odgovoriti na dva povezana pitanja: koliko često takvi diskovi uopće imaju masivne pratitelje u unutarnjim dijelovima sustava i mogu li ti pratitelji doista biti odgovorni za nastanak uočenih šupljina u prašini.

Korištenjem najnovijih Gaia podataka istraživači su izračunali tzv. anomalije vlastitog gibanja – razliku između očekivanog i izmjerenog kretanja svake zvijezde po nebu – te analizirali parametar RUWE, koji mjeri koliko dobro Gaia-in jednostavni model točke-prametara opisuje opažanja. Značajno odstupanje obično znači da se iza “jednostavne” zvijezde skriva složeniji sustav s pratiteljem.

Analiza pokazuje da 31 od 98 tranzicijskih diskova (otprilike 32 % uzorka) pokazuje uvjerljive astrometrijske anomalije koje se najbolje objašnjavaju prisutnošću skrivenog pratitelja. Modeliranjem kombinacije mase i poluosi orbite koja može proizvesti opaženi signal, autori su pokazali da Gaia u ovom uzorku tipično može detektirati pratitelje s masenim omjerom većim od oko 1 % mase zvijezde, na udaljenostima od približno 0,1 do 30 AU. U prijevodu, riječ je o objektima mase od nekoliko Jupitera pa sve do zvijezda niske mase u orbitama koje obuhvaćaju područje gdje u našem sustavu kruže Zemlja, Jupiter i Saturn.

Sedam kandidata planetarne mase, smeđi patuljci i dodatne zvijezde

Najuzbudljiviji rezultat studije jest identifikacija sedam sustava u kojima je astrometrijski signal kompatibilan s pratiteljem planetarne mase, manjim od oko 13 Jupiterovih masa. Riječ je o zvijezdama HD 100453, J04343128+1722201, J16102955-3922144, MHO 6, MP Mus, PDS 70 i Sz 76. Neki od tih objekata već su poznati po svojim zanimljivim diskovima ili čak prethodno otkrivenim planetima, no Gaia sada pruža neovisnu potvrdu da u njihovim unutarnjim zonama doista djeluju masivni gravitacijski “arhitekti”.

U osam drugih sustava podaci se najbolje slažu s postojanjem smeđih patuljaka – objekata mase između najmasivnijih planeta i najmanjih zvijezda, koji nemaju dovoljno masu da dugotrajno održavaju vodikovu fuziju u jezgri. Takvi “neuspjeli” zvijezdani embriji posebno su zanimljivi jer zamagljuju granicu između planeta i zvijezda: nastaju li poput zvijezda, izravnim kolapsom oblaka, ili poput planeta, nakupljanjem materijala u disku?

Preostali dio detekcija – prema procjenama šesnaestak slučajeva – vjerojatno predstavlja dodatne zvijezde niske mase u binarnim ili višestrukim sustavima. U tim je slučajevima pratitelj toliko masivan da po svim kriterijima spada u zvjezdanu domenu, iako se i nadalje razvija okružen preostalim diskom plina i prašine. Zbirno gledano, većina uočenih pratitelja masivnija je od 30 Jupiterovih masa, što znači da tranzicijski diskovi često skrivaju neočekivano “teško” društvo.

Šupljine u diskovima: gdje su planeti koji ih iskopaše?

Jedno od ključnih pitanja koje je motiviralo ovu analizu jest: mogu li uočeni pratitelji objasniti velike šupljine u prašini koje vidimo na ALMA snimkama tranzicijskih diskova? Intuitivno, masivan planet ili smeđi patuljak na odgovarajućoj orbiti trebao bi “počistiti” materijal u svom okolnom području, stvarajući prstenaste strukture i rupe u disku. Međutim, rezultati pokazuju da je priča kompleksnija.

Za približno polovicu detektiranih pratitelja – autori navode oko 53 % slučajeva – jednostavni modeli ne uspijevaju pomiriti njihove orbitalne parametre i masu s veličinom i oblikom šupljina u prašini. Drugim riječima, čak i kada znamo da pratitelj postoji, čini se da ne može sam stvoriti diskovnu strukturu koju opažamo. U tim slučajevima šupljine vjerojatno nastaju djelovanjem drugih, zasad neotkrivenih pratitelja na većim udaljenostima, ili u kombinaciji s procesima poput fotoisparavanja diska visokoenergetskim zračenjem zvijezde, magnetnim poljima i turbulencijom u plinu.

Ti rezultati nadovezuju se na širu “revoluciju tranzicijskih diskova” koja traje već više od desetljeća. Sustavna promatranja s ALMA-om pokazala su da prstenovi, lukovi i spirale u diskovima nisu iznimka, nego pravilo. Za dio tih struktura izravno su otkriveni planeti koji ih stvaraju, ali u mnogim slučajevima još nedostaje “krivac”. Gaia-in astrometrijski pogled sada potvrđuje da u tranzicijskim diskovima postoji bogat inventar masivnih pratitelja, ali i da sama njihova prisutnost ne daje uvijek jednostavno objašnjenje za sve što vidimo.

Mladi Sunčev sustav kao mjerilo

U vizualizaciji nove studije posebno je zanimljiv panel posvećen našem vlastitom sustavu. Istraživači su rekonstruirali kako bi Sunčev sustav mogao izgledati u dobi od oko milijun godina, kada su planeti tek nastajali iz protoplanetarnog diska. Sunce je postavljeno u središte slike (iako nije eksplicitno prikazano), a orbitu Jupitera označava plavi (cijan) prsten. Taj se prsten koristi i u ostalim panelima kao referenca za usporedbu razmjera: koliko su “bebe” zvjezdani sustavi veći ili manji od onoga iz kojeg je nastao naš dom.

Takav prikaz omogućuje čitatelju da intuitivno shvati o kojim se udaljenostima radi. Dok neki tranzicijski diskovi imaju šupljine manje od Jupiterove orbite, drugi se protežu daleko izvan nje, u područje gdje u našem sustavu kruže Uran i Neptun. Razumjeti kako se planeti formiraju i migriraju u tim diskovima znači, u konačnici, razumjeti i zašto je naš Sunčev sustav ispao upravo ovakav, s četiri kamena planeta u unutarnjem dijelu i četirima divovima u vanjskom.

Što novo otkriće govori o nastanku planeta

Kombinacija Gaia astrometrije i ALMA snimaka tranzicijskih diskova otvara novu fazu u istraživanju nastanka planeta. Za razliku od pojedinačnih spektakularnih otkrića, ova studija pruža statistički uvid u čitav uzorak od gotovo stotinu mladih zvjezdanih sustava. Kada se ti rezultati spoje s teorijskim modelima, postaje jasnije da se šupljine u prašini ne mogu uvijek objasniti jednim gigantskim planetom: često je vjerojatnije da se radi o više planeta, kombinaciji planeta i smeđih patuljaka ili o planetima koji se kriju na većim udaljenostima od onih na koje je Gaia trenutno najosjetljivija.

S druge strane, Gaia-in uspjeh u pronalaženju pratitelja u tranzicijskim diskovima potvrđuje da se masivni objekti doista formiraju vrlo rano, dok disk još postoji. To se uklapa u širu sliku koju daju i druga nedavna otkrića. Primjerice, promatranja mladog sustava HOPS-315 teleskopom James Webb i ALMA-om tijekom 2025. godine pokazala su prve tragove vrućih mineralnih zrna koja se stvrdnjavaju u disku starom tek nekoliko stotina tisuća godina – najranije “sjemenke” budućih planeta. Takvi rezultati sugeriraju da proces nastanka čvrstih tijela počinje iznimno rano, a Gaia sada dodaje dokaz da masivni pratitelji već tada mogu znatno preoblikovati disk.

U globalnoj slici, tranzicijski diskovi predstavljaju prijelaznu fazu između “mladog” diska ispunjenog plinom i prašinom i kasnijeg stadija u kojem dominiraju planeti i manja tijela poput asteroida i kometa. Razumijevanje uloge pratitelja u toj fazi ključno je za odgovor na pitanje koliko su Sunčevom sustavu slični ili različiti tipični planetarni sustavi u našoj Galaksiji.

Gaia je završila opažanja, ali podaci tek počinju “raditi”

Iako je svemirski teleskop Gaia početkom 2025. završio prikupljanje znanstvenih podataka, njegova će astrometrijska revolucija trajati još godinama. Rutinska opažanja prestala su 15. siječnja 2025., a misija je formalno zaključena u proljeće iste godine. Do tada je prikupljena baza s informacijama o položajima, brzinama i fizičkim svojstvima približno 2,5 milijarde izvora, od asteroida u Sunčevu sustavu do udaljenih kvazara.

Dosad je javno objavljena treća velika isporuka podataka (DR3), ali se u pozadini već priprema sljedeći korak. Četvrto veliko izdanje podataka, Gaia DR4, očekuje se 2026. godine i temeljit će se na prvih 5,5 godina opažanja. U njemu bi se trebale pojaviti i prve velike zbirke egzoplanetnih kandidata otkrivenih astrometrijom, potencijalno tisuće novih planeta i smeđih patuljaka oko zvijezda u našoj kozmičkoj blizini.

Studija tranzicijskih diskova koju vodi Vioque nadovezuje se upravo na taj nadolazeći val. Iako je riječ o ciljanom uzorku od “samo” 98 zvijezda, metode razvijene u ovom radu pokazale su da se Gaia-ini podaci mogu uspješno primijeniti i na mlade, promjenjive izvore, gdje dodatni procesi – poput akrecijskih mlazeva, zvjezdanih pjega i raspršenja svjetlosti u disku – potencijalno kvare astrometrijski signal. Autori zaključuju da ti učinci ne dominiraju te da se astrometrija može robustno koristiti i u najranijim fazama života zvijezda.

Sinergija s teleskopima budućnosti

Popis pratitelja koje je Gaia sada identificirala u tranzicijskim diskovima predstavlja idealan katalog meta za daljnja promatranja. Teleskop James Webb, s osjetljivim instrumentima u infracrvenom području, može “zaviriti” u unutarnje dijelove diskova i pokušati izravno detektirati toplinsko zračenje mladih planetarnih masa ili proučiti kemijski sastav plina u njihovoj blizini. ALMA može dodatno razlučiti strukturu prašine i plina oko kandidata koje je Gaia otkrila, dok će budući zemaljski divovi poput Ekstremno velikog teleskopa (ELT) moći izravno snimati neke od tih objekata.

Takva sinergija ključna je za razumijevanje nastanka planeta. Gaia daje globalni, “dinamički” pogled – pokazuje nam kako zvijezda reagira na gravitaciju pratitelja – dok ALMA, James Webb i drugi teleskopi pružaju “snimku” samih diskova i planeta. Zajedno, oni će odvojiti slučajeve u kojima jedan masivan pratitelj dominira dinamikom od onih gdje su za strukturu diska odgovorni mnogobrojni, možda i manje masivni planeti raspoređeni na različitim udaljenostima.

Kako se približava objava Gaia DR4, astronomi očekuju da će se broj poznatih pratitelja – od planeta do smeđih patuljaka – u mladim i zrelijim sustavima dramatično povećati. Najnoviji rezultati iz tranzicijskih diskova pokazuju da će među njima vjerojatno biti i cijela populacija skrivenih objekata koji djeluju unutar šupljina u prašini, baš u regijama gdje se, barem u našem slučaju, nalaze ključni građevni blokovi za nastanak potencijalno nastanjivih svjetova.