Promatranja instrumentom SPHERE na ESO-ovu Vrlo velikom teleskopu (VLT) donijela su jednu od najdetaljnijih galerija diskova krhotina oko mladih zvijezda do danas. Riječ je o tankim, ali iznenađujuće složenim trakama prašine koje okružuju zvijezde poput svojevrsnih kozmičkih arheoloških slojeva. U tim diskovima skriva se trag sudara milijardi sitnih tijela – svojevrsnih “rođaka” naših asteroida i kometa – koja nose informacije o tome kako nastaju planeti i kako sazrijeva čitav planetarni sustav. Astronomi ističu da je nova kolekcija snimaka, nastala uz pomoć ekstremne adaptivne optike i koronografa, pravi znanstveni rudnik podataka jer po prvi put na sustavan način povezuje izgled diskova, svojstva zvijezda i skrivenu populaciju malih tijela.

Mala tijela kao fosili nastanka planeta

Da bi se razumjela važnost tih promatranja, dobro je krenuti od vlastitog dvorišta – Sunčeva sustava. Osim Sunca, planeta i nekoliko patuljastih planeta, oko nas kruži golema populacija tzv. malih tijela. To su objekti promjera od kilometra do nekoliko stotina kilometara, sastavljeni od stijena, leda ili njihove mješavine. Kada takav objekt povremeno ispušta plin i prašinu stvarajući komu i rep, nazivamo ga kometom; kada nema takve aktivnosti, govorimo o asteroidu. Ta tijela nisu “ostatak bez reda”, nego fosili ranih dana Sunčeva sustava. Nastajanje planeta započinje mikroskopskim zrncima prašine u protoplanetarnom disku; sudari i lijepljenje tih zrnaca vode do prijelazne faze tzv. planetesimala, a dio tih tijela nikada ne naraste do veličine planeta. Upravo taj zaustavljeni korak u evoluciji materijala danas prepoznajemo kao asteroide i komete.

Mala tijela posebno su dragocjena jer čuvaju kemijski sastav i strukturu izvornog građevinskog materijala za planete. Za razliku od planeta, u njihovoj unutrašnjosti nije došlo do snažnog taljenja i miješanja, pa su u mnogočemu bliža početnim uvjetima u disku. Kada ih proučavamo u Sunčevu sustavu, dobivamo uvid u uvjete u kojima su nastajale Zemlja, Mars ili ledeni divovi. No pravo pitanje glasi: koliko su takvi procesi univerzalni i postoje li slični pojasevi malih tijela oko drugih zvijezda?

Egzoplaneti i ograničenja izravnog snimanja

Odgovor na to pitanje dolazi iz eksplozije otkrića egzoplaneta u posljednja tri desetljeća. Do prosinca 2025. potvrđeno je više od šest tisuća planeta izvan Sunčeva sustava, a statistike pokazuju da je planetarni sustav pravilo, a ne iznimka u Mliječnoj stazi. Većina tih svjetova otkrivena je neizravnim metodama – promjenama sjaja zvijezda tijekom tranzita planeta ili sitnim kolebanjima zvijezdine brzine zbog gravitacije nevidljivog pratitelja. Izravne snimke egzoplaneta, međutim, i dalje su rijetke: manje od stotinu planeta moguće je vidjeti kao male, mutne točkice uz blještavu zvijezdu domaćina. Iz tih slika teško je izravno doći do informacija o populaciji malih tijela poput asteroida i kometa u istom sustavu.

Prašina kao pojačalo svjetlosti

Upravo zato astronomi posežu za još manjim česticama – za prašinom. U mlađim planetarnim sustavima planetesimali se neprestano sudaraju. Ponekad se spoje i nastavljaju rasti prema veličini planeta, ali često se jednostavno razmrve na oblake sitnih čestica. Svaki put kada se veći objekt razbije u mnoštvo manjih, ukupni volumen ostaje isti, ali se površina dramatično povećava. Ako bismo, primjerice, jedan asteroid promjera jedan kilometar samljeli u zrnca prašine promjera mikrometra, ukupna bi se površina povećala za oko milijardu puta. Povećana površina znači i mnogo više prostora na kojem se može raspršiti svjetlost zvijezde, pa se disk od takve prašine vidi mnogo lakše nego izvorna velika tijela.

Prašina u diskovima krhotina vidljiva je na dva načina. U infracrvenom području ona zrači toplinu jer se zagrijava na nekoliko desetaka ili stotina kelvina, ovisno o udaljenosti od zvijezde. U vidljivom području svjetlosti, kakvu registrira SPHERE, prašina pretežito raspršuje i polarizira zračenje zvijezde. Što je disk mlađi i što se sudari češće događaju, to je više svježe prašine i disk je sjajniji. S vremenom, tlak zračenja, zvjezdini vjetrovi i gravitacijska djelovanja planeta raznose prašinu, pa disk blijedi. Procjene pokazuju da su diskovi krhotina u mladoj fazi, u kojoj su lako uočljivi u raspršenoj svjetlosti, uglavnom mlađi od pedesetak milijuna godina, nakon čega postaju sve teže detektabilni.

Sunčev sustav kao referenca

Naš Sunčev sustav primjer je sustava u kojem je faza bogata prašinom odavno prošla, ali su pojasevi planetesimala još uvijek prisutni. Između Marsa i Jupitera smješten je glavni asteroidni pojas, dok se izvan orbita divovskih planeta proteže Kuiperov pojas, golemi rezervoar ledenih tijela koja prepoznajemo kao komete dugih perioda. Uz to, prostor između planeta ispunjen je finom prašinom koja stvara zodijačko svjetlo – slabu, trokutastu pojavu na noćnom nebu vidljivu pod vrlo tamnim uvjetima nakon zalaska ili prije izlaska Sunca. Da neki daleki astronom promatra Sunčev sustav tehnologijom usporedivom s današnjom, vjerojatno bi jedva registrirao naše diskove krhotina. Baš zato su mladi sustavi oko obližnjih zvijezda idealan laboratorij: u njima je proizvodnja prašine još u punom jeku i strukture diskova puno su jasnije.

Tehnološki izazov: kako “ugasiti” zvijezdu

Snimiti takav disk, međutim, tehnički je iznimno zahtjevno. Vizualizacija situacije često se uspoređuje s pokušajem da se fotografira oblak dima cigarete pokraj reflektora nogometnog stadiona, i to s nekoliko kilometara udaljenosti. Sjaj zvijezde mnogostruko nadmašuje slabašan odsjaj prašine, pa je prvi zadatak teleskopa – prigušiti svjetlost zvijezde ne oštetivši pritom slabu svjetlost diska. Upravo na tom zadatku briljira instrument SPHERE, koji je od 2014. godine instaliran na jednom od četiriju VLT-ovih teleskopa na Cerro Paranal u Čileu. SPHERE je specijalizirani sustav za vrlo visok kontrast oko sjajnih zvijezda i kombinira ekstremnu adaptivnu optiku, iznimno stabilnu optičku putanju i niz koronografa.

Srce instrumenta čini ekstremna adaptivna optika. Zemljina atmosfera neprestano izobličuje valove svjetlosti koji dolaze iz svemira, što čak i na najmirnijim lokacijama uzrokuje titranje i mutnoću slike. SPHERE koristi deformabilno zrcalo s velikim brojem aktuatora koje se prilagođava stotinama puta u sekundi kako bi poništilo turbulencije u realnom vremenu. Uz to, u optičku putanju umeće se mali disk – koronograf – koji blokira najjači dio zvjezdanog sjaja. Princip je sličan zaklanjanju Sunca dlanom kako bismo bolje vidjeli okolinu: eliminiranjem blještavila otvara se pogled na mnogo slabije strukture oko zvijezde. Dodatna prednost SPHERE-a je mogućnost polarimetrijskih mjerenja; prašina u disku raspršuje i polarizira svjetlost drugačije od same zvijezde, pa se takvom detekcijom dodatno naglašava signal diska u odnosu na pozadinu.

Tri lica instrumenta SPHERE

SPHERE zapravo obuhvaća tri znanstvena podsustava. Spektrografski integralni polje-instrument (IFS) omogućuje snimanje malog polja oko zvijezde u nizu valnih duljina, što znanstvenicima daje trodimenzionalni “kockasti” skup podataka u kojem je svaka točka na slici popraćena spektrom. IRDIS, infracrveni dvopojasni imager i spektrograf, nudi šire vidno polje i mogućnost snimanja u dvije različite boje istodobno ili u dva međusobno okomita smjera polarizacije. Treći podsustav, ZIMPOL, optimiziran je za vidljivo područje spektra i posebno je osjetljiv na polariziranu svjetlost raspršenu na sitnim česticama. Kombinacija ovih tehnika pretvara SPHERE u iznimno moćan “mikroskop” za proučavanje građevnog materijala planetarnih sustava.

Statistička studija 161 mlade zvijezde

U novoj studiji tim na čelu s Natalijom Engler sa ETH Zürich analizirao je promatranja 161 obližnje mlade zvijezde za koje je infracrveno zračenje već ranije upućivalo na prisutnost diskova krhotina. Podaci su prikupljeni tijekom niza različitih promatračkih programa na VLT-u, a sada su prvi put objedinjeni i obrađeni istim postupcima, što omogućuje pravu statističku usporedbu. Nakon zahtjevne redukcije i obrade podataka, istraživači su uspjeli izdvojiti jasne slike diskova oko 51 zvijezde. Četiri od tih diskova nikada ranije nisu bila izravno snimljena, pa nova galerija donosi i potpuno nove objekte uz detaljno poboljšane prikaze već poznatih sustava.

Raznolikost arhitektura diskova

Rezultirajuće slike otkrivaju zapanjujuću raznolikost geometrija i struktura. Neki diskovi promatraju se gotovo rubno, poput tankih, svijetlih linija koje presijecaju tamu kadra i jedva otkrivaju svoju pravu trodimenzionalnu prirodu. Drugi su snimljeni gotovo licem okrenuti prema nama i nalikuju prstenovima ili širokim pojasevima prašine koji uokviruju centralnu masku kojom je zaklonjena zvijezda. Pojedini sustavi pokazuju uske, vrlo dobro definirane prstenove, dok su u drugima diskovi difuzniji i prošireni na veće udaljenosti. Vidljive su i asimetrije – jedan dio diska može biti svjetliji ili deformiran u odnosu na suprotnu stranu – što upućuje na gravitacijske utjecaje nevidljivih masivnih tijela.

Globalni trendovi: masa zvijezde i masa diska

Kada se tako bogata zbirka slika promatra kao cjelina, izlaze na vidjelo i sustavne veze između svojstava zvijezda i njihovih diskova. Analiza pokazuje da masivnije mlade zvijezde u pravilu posjeduju masivnije diskove krhotina. To je u skladu s očekivanjem da masivniji zvjezdani sustavi započinju s većom količinom prašine i plina u izvornom protoplanetarnom disku, pa nakon faze nastanka planeta ostaje više materijala u obliku planetesimala. Uočena je i povezanost između udaljenosti na kojoj se disk nalazi i njegove ukupne mase: diskovi čiji se glavni pojas prašine proteže dalje od zvijezde često su bogatiji materijalom nego kompaktniji, unutarnji pojasevi.

Pojasevi krhotina kao tragovi planeta

Najintrigantniji aspekt nove galerije ipak su unutarnje strukture u samim diskovima. U mnogim sustavima prašina se ne raspoređuje glatko, nego je koncentrirana u jedan ili više pojaseva nalik prstenovima. Takva prstenasta struktura snažno podsjeća na raspodjelu malih tijela u Sunčevu sustavu, gdje imamo asteroidni pojas između Marsa i Jupitera te Kuiperov pojas izvan orbite Neptuna. U oba slučaja riječ je o područjima u kojima su gravitacijski utjecaji velikih planeta raščistili i “izrezbarili” disk, ostavljajući pojaseve povećane gustoće na određenim udaljenostima.

Sličan mehanizam vjerojatno je na djelu i u promatranim egzoplanetarnim sustavima. Divovski planeti, osobito oni na širim putanjama, djeluju poput kozmčkih arhitekata: dok kruže oko svoje zvijezde, rezonancijama i gravitacijskim interakcijama izbacuju dio planetesimala iz sustava, dio šalju u unutarnje, nestabilne orbite, a dio zarobljavaju u dijeljenim rezonantnim putanjama. Rezultat je pojas krhotina s oštro definiranim unutarnjim rubom ili asimetričnom raspodjelom prašine. U nekim SPHERE-ovim slikama upravo ti oštro odrezani rubovi i istaknute svijetle točke u prstenovima služe kao “tragovi” mogućih, još uvijek neizravno detektiranih planeta.

Diskovi kao karta za buduća opažanja

Važno je naglasiti da su u pojedinim sustavima divovski planeti već izravno snimljeni drugim programima ili instrumentima, a njihova prisutnost lijepo se uklapa u uzorke koji se vide u diskovima krhotina. U drugim slučajevima diskovi služe kao karta za buduća istraživanja: numeričke simulacije mogu pokazati kakav bi planet – s kojom masom i na kojoj orbiti – mogao stvoriti promatranu strukturu. Takvi modeli zatim usmjeravaju nove kampanje snimanja, bilo instrumentom SPHERE, bilo svemirskim teleskopom James Webb, koji u infracrvenom području može tražiti toplinski potpis tih skrivenih divova.

Što donose budući teleskopi

Nova kolekcija diskova stoga je i svojevrsni katalog prioritetnih meta za buduće opservatorije. Posebnu ulogu u tom pogledu dobit će Europski ekstremno veliki teleskop (ELT), koji bi prema sadašnjim planovima trebao ostvariti prvo svjetlo krajem ovog desetljeća. S primarnim zrcalom promjera 39 metara ELT će nuditi znatno veću razlučivost i svjetlosnu moć od današnjih teleskopa, pa će moći detaljnije mapirati slabe diskove i direktno snimati planete koji ih oblikuju. U kombinaciji s tehnikama visokog kontrasta razvijenima na SPHERE-u, budući instrumenti na ELT-u trebali bi omogućiti sustavno proučavanje pojava poput asteroidnih i Kuiperovih pojaseva u raznim zvjezdanim okolinama.

Koliko je naš sustav poseban?

Rezultati studije također se uklapaju u širu priču o raznolikosti planetarnih sustava. Iako nas obilje “vrućih Jupitera”, mini-Neptuna i drugih egzotičnih svjetova uči da Sunčev sustav nije tipičan u svakom pogledu, činjenica da mnogi diskovi krhotina pokazuju pojaseve nalik našim asteroidnim i Kuiperovim pojasima sugerira da su određeni elementi arhitekture ipak česti. U takvim pojasevima sudari neprestano stvaraju svježu prašinu, ali i bacaju ledene komete prema unutrašnjim dijelovima sustava, gdje mogu donositi vodu i hlapljive tvari na mlade stijenske planete. U tom smislu, snimke diskova krhotina nisu samo estetski dojmljive slike, nego i ključ za razumijevanje dugoročnih uvjeta koji mogu, mnogo kasnije, odlučivati o pojavi oceana, atmosfere i potencijalno naseljivih svjetova.

Za astronome koji proučavaju nastanak planeta, SPHERE-ova galerija predstavlja važnu vezu između ranih, plinovitih protoplanetarnih diskova i zrelih sustava u kakvom danas živimo. Diskovi krhotina pokazuju kako su se prvi naraštaji planeta usjekli u izvorni disk, gdje su se zadržale zalihe malih tijela i kako se cjelokupna struktura mijenja dok sustav stari. Usporedbom različitih zvijezda, diskova i eventualnih planeta bit će moguće izgraditi sve detaljniju kronologiju razvoja planetarnih sustava te odgovoriti na pitanje koliko je česta kombinacija koja je u našem slučaju dovela do stabilnih orbita, umjerenih uvjeta i raznolikog menija potencijalnih “zemalja” oko drugih zvijezda.