21.3: Ushahidi kwamba Sayari Zinajumuisha Nyota Zingine

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

• Fuatilia mageuzi ya vumbi vinavyozunguka protostar, na kusababisha maendeleo ya sayari za mawe na makubwa ya gesi
• Tathmini ya muda wa ukuaji wa sayari kwa kutumia uchunguzi wa disks zinazozunguka nyota vijana
• Tathmini ushahidi wa sayari zinazozunguka kutengeneza nyota kulingana na miundo inayoonekana katika picha za disks za vumbi vya circumstellar.

Baada ya kuendeleza katika sayari na kuipata kuwa muhimu kwa kuwepo kwetu, tuna maslahi maalumu katika jinsi sayari zinavyoingia katika hadithi ya uundaji wa nyota. Hata hivyo sayari zilizo nje ya mfumo wa jua ni vigumu sana kuchunguza. Kumbuka kwamba tunaona sayari katika mfumo wetu tu kwa sababu zinaonyesha jua na ziko karibu. Tunapotazamia nyota zingine, tunaona kwamba kiasi cha nuru inayoonyesha sayari ni sehemu ndogo sana ya nuru inayotoa nyota yake. Zaidi ya hayo, kwa mbali, sayari zinapotea katika mng'ao wa nyota zao zenye mwangaza sana.

Disks karibu na Protostars: Mifumo ya Sayari katika U

Ni rahisi sana kuchunguza malighafi yaliyoenea ambayo sayari zinaweza kukusanyika kuliko kuchunguza sayari baada ya kuundwa kikamilifu. Kutokana na utafiti wetu wa mfumo wa jua, tunaelewa kuwa sayari zinaunda kwa kukusanya pamoja chembe za gesi na vumbi katika obiti kuzunguka nyota mpya iliyoundwa. Kila chembe ya vumbi huwaka na protostar mdogo na huangaza katika eneo la infrared la wigo. Kabla ya kuunda sayari yoyote, tunaweza kuchunguza mionzi hiyo kutoka kwa chembe zote za vumbi ambazo zinatarajiwa kuwa sehemu za sayari. Tunaweza pia kuchunguza silhouette ya disk ikiwa inazuia mwanga mkali kutoka chanzo nyuma yake (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)).

Kielelezo\(\PageIndex{1}\): Disks karibu Protostars. Picha hizi za Hubble Space Telescope zinaonyesha diski nne zinazozunguka nyota vijana katika Nebula ya Orion. Disks za giza, za vumbi zinaonekana zimefunikwa dhidi ya kuongezeka kwa kasi ya gesi inayowaka katika nebula. Ukubwa wa kila picha ni karibu mara 30 kipenyo cha mfumo wetu wa sayari; hii inamaanisha diski tunazoziona hapa zinabadilika kwa ukubwa kutoka mara mbili hadi nane obiti ya Pluto. Mwanga nyekundu katikati ya kila disk ni nyota mdogo, si zaidi ya umri wa miaka milioni. Picha hizi yanahusiana na hatua katika maisha ya protostar inavyoonekana katika sehemu (d) ya Kielelezo\(21.1.7\) katika Sehemu ya 21.1.

Mara baada ya chembe za vumbi kukusanyika pamoja na kuunda sayari chache (na labda baadhi ya miezi), idadi kubwa ya vumbi hufichwa ndani ya sayari ambapo hatuwezi kuiona. Yote tunayoweza kuchunguza sasa ni mionzi kutoka kwenye nyuso za nje, ambayo hufunika eneo ndogo sana kuliko disk kubwa, yenye vumbi ambayo waliunda. Kiasi cha mionzi ya infrared ni kubwa zaidi kabla ya chembe za vumbi kuchanganya katika sayari. Kwa sababu hii, utafutaji wetu wa sayari huanza na kutafuta mionzi ya infrared kutoka kwa nyenzo zinazohitajika kuwafanya.

Disk ya gesi na vumbi inaonekana kuwa sehemu muhimu ya malezi ya nyota. Uchunguzi unaonyesha kwamba karibu wote protostars vijana sana wana disks na kwamba disks mbalimbali katika ukubwa kutoka 10 hadi 1000 AU. (Kwa kulinganisha, kipenyo cha wastani cha obiti ya Pluto, ambayo inaweza kuchukuliwa kuwa ukubwa mbaya wa mfumo wetu wa sayari, ni 80 AU, ambapo kipenyo cha nje cha ukanda wa Kuiper wa miili ndogo ya Icy ni kuhusu 100 AU.) Masi yaliyomo katika diski hizi ni kawaida 1-10% ya masi ya Jua letu wenyewe, ambalo ni zaidi ya masi ya sayari zote katika mfumo wetu wa jua zilizowekwa pamoja. Uchunguzi huo tayari unaonyesha kwamba sehemu kubwa ya nyota huanza maisha yao na vifaa vya kutosha mahali pa haki ili kuunda mfumo wa sayari.

Muda wa Uundaji wa Sayari na Ukuaji

Tunaweza kutumia uchunguzi wa jinsi disks zinavyobadilika na wakati wa kukadiria muda gani inachukua kwa sayari kuunda. Kama sisi kupima joto na luminosity ya protostar, basi, kama tulivyoona, tunaweza kuiweka katika mchoro H - R kama moja inavyoonekana katika Kielelezo\(21.2.1\). Kwa kulinganisha nyota halisi na mifano yetu ya jinsi protostars inapaswa kubadilika kwa wakati, tunaweza kukadiria umri wake. Tunaweza kisha kuangalia jinsi disks tunavyozingatia zinabadilika na umri wa nyota zinazozunguka.

Nini uchunguzi huo unaonyesha ni kwamba ikiwa protostar ni chini ya umri wa miaka milioni 1 hadi 3, disk yake inaenea njia yote kutoka karibu sana na uso wa nyota hadi mamia au mamia ya AU mbali. Katika protostars wakubwa, tunapata disks na sehemu za nje ambazo bado zina kiasi kikubwa cha vumbi, lakini mikoa ya ndani imepoteza vumbi vyao vingi. Katika vitu hivi, disk inaonekana kama donut, na protostar katikati ya shimo lake. Sehemu za ndani, zenye mnene za disks nyingi zimepotea wakati nyota zina umri wa miaka milioni 10 (Kielelezo\(\PageIndex{2}\)).

Kielelezo\(\PageIndex{2}\): Disks za Protoplanetary karibu na Nyota mbili. Mtazamo wa kushoto wa kila nyota unaonyesha uchunguzi wa infrared na darubini ya Hubble Space ya disks zao za protoplanetary. Nyota ya kati ni nyepesi sana kuliko diski inayozunguka, hivyo chombo kinajumuisha koronografia, ambayo ina ngao ndogo inayozuia nuru ya nyota ya kati lakini inaruhusu diski inayozunguka ipigwe picha. Picha sahihi ya kila nyota inaonyesha mifano ya disks kulingana na uchunguzi. Nyota HD 141943 ina umri wa miaka milioni 17, wakati HD 191089 ni takriban miaka milioni 12.

Mahesabu yanaonyesha kuwa malezi ya sayari moja au zaidi inaweza kuzalisha usambazaji wa vumbi kama vile donut. Tuseme sayari inaunda AU chache mbali na protostar, labda kutokana na mkutano pamoja wa suala kutoka kwenye diski. Kama sayari inakua kwa wingi, mchakato huondoa eneo lisilo na vumbi katika jirani yake ya karibu. Mahesabu pia yanaonyesha kwamba chembe ndogo za vumbi na gesi ambazo awali zilikuwa zipo katika eneo kati ya protostar na sayari, na ambazo hazipatikani na sayari, zitaanguka kwenye nyota haraka sana katika kipindi cha miaka 50,000.

Suala liko nje ya obiti ya sayari, kinyume chake, linazuiwa kuhamia ndani ya shimo na nguvu za mvuto zinazofanywa na sayari. (Tuliona kitu kama hicho katika pete za Saturn, ambapo hatua ya miezi ya mchungaji inaweka nyenzo karibu na makali ya pete kutoka kuenea nje.) Ikiwa uundaji wa sayari ni kweli unaozalisha na kuimarisha mashimo kwenye disks zinazozunguka nyota ndogo sana, basi sayari lazima ziwe katika miaka milioni 3 hadi 30. Hii ni kipindi kifupi ikilinganishwa na maisha ya nyota nyingi na inaonyesha kwamba malezi ya sayari inaweza kuwa matokeo ya haraka ya kuzaliwa kwa nyota.

Mahesabu yanaonyesha kuwa kuongezeka kwa kasi kunaweza kuendesha ukuaji wa haraka wa sayari-ndogo, chembe za ukubwa wa vumbi zinazozunguka kwenye diski hugongana na kushikamana pamoja, huku makusanyo makubwa yanaongezeka kwa kasi zaidi kadiri yanavyovutia na kukamata ndogo. Mara baada ya clumps hizi kukua hadi sentimita 10 kwa ukubwa au hivyo, huingia hatua ya hatari katika maendeleo yao. Kwa ukubwa huo, isipokuwa wanaweza kukua hadi kuwa kubwa kuliko mita 100 za kipenyo, zinakabiliwa na vikosi vya drag vinavyotengenezwa na msuguano na gesi ndani ya disk-na njia zao zinaweza kuoza kwa haraka, kuziingiza katika nyota ya jeshi. Kwa hiyo, miili hii inapaswa kukua kwa kasi kwa karibu kilomita 1 kwa ukubwa wa kipenyo ili kuepuka hatima ya moto. Katika hatua hii, wao ni kuchukuliwa sayetesimali (chunks ndogo ya jambo imara-barafu na vumbi chembe—ambayo umejifunza kuhusu katika Dunia nyingine: Utangulizi wa mfumo wa jua). Mara baada ya kuishi kwa ukubwa huo, waathirika wakubwa wataendelea kukua kwa kuunda sayari ndogo; hatimaye, mchakato huu unasababisha sayari chache kubwa.

Ikiwa sayari zinazokua zinafikia masi kubwa kuliko takriban mara 10 masi ya Dunia, mvuto wao una nguvu ya kutosha kukamata na kushikilia gesi ya hidrojeni iliyobaki kwenye diski. Katika hatua hiyo, watakua kwa wingi na radius haraka, kufikia vipimo vya sayari kubwa. Hata hivyo, kufanya hivyo inahitaji nyota ya kati inayobadilika kwa kasi bado haijawafukuza gesi ndani ya diski na upepo wake unaozidi kuwa na nguvu (angalia sehemu ya awali ya Uundaji wa Nyota). Kutokana na uchunguzi, tunaona kwamba disk inaweza kupigwa ndani ya miaka milioni 10, hivyo ukuaji wa sayari kubwa lazima pia kuwa mchakato wa haraka sana, akizungumza kwa astronomically.

Disks za uchafu na Sayari za Mchungaji

Vumbi vinavyozunguka nyota mpya hupungua hatua kwa hatua ama kuingizwa katika sayari zinazoongezeka katika mfumo mpya wa sayari au kutolewa kwa njia ya mwingiliano wa mvuto na sayari ndani ya angani. Vumbi vitatoweka baada ya miaka milioni 30 isipokuwa disk inaendelea kutolewa na nyenzo mpya. Comets za mitaa na asteroids ni vyanzo vingi vya vumbi vipya. Kama miili ya ukubwa wa sayari inakua, huchochea njia za vitu vidogo katika eneo hilo. Miili hii ndogo hugongana kwa kasi ya juu, kupasuka, na kuzalisha chembe ndogo za vumbi vya silicate na ices ambazo zinaweza kuweka diski inayotolewa na uchafu kutoka kwa migongano haya.

Zaidi ya miaka milioni mia kadhaa, comets na asteroids zitapungua kwa idadi, mzunguko wa migongano utashuka, na ugavi wa vumbi safi utapungua. Kumbuka kwamba bombardment nzito katika mfumo wa jua mapema kumalizika wakati Jua lilikuwa na umri wa miaka milioni 500 tu. Uchunguzi unaonyesha kuwa “diski za uchafu” zenye vumbi zinazozunguka nyota pia huwa hazionekani kwa kiasi kikubwa wakati nyota zinafikia umri wa miaka milioni 400 hadi 500. Inawezekana, hata hivyo, kwamba kiasi kidogo cha vifaa vya cometary kitabaki katika obiti, kama vile ukanda wetu wa Kuiper, disk iliyopigwa ya comets nje ya obiti ya Neptune.

Katika mfumo mdogo wa sayari, hata kama hatuwezi kuona sayari moja kwa moja, sayari zinaweza kuzingatiza chembe za vumbi ndani ya clumps na arcs ambazo ni kubwa zaidi kuliko sayari wenyewe na zinaonekana kwa urahisi zaidi. Hii ni sawa na jinsi mwezi mdogo wa mchungaji wa Saturn chembe katika pete na kuzalisha arcs kubwa na miundo katika pete za Saturn.

Disks za uchafu - wengi wenye clumps tu na arcs-sasa wamepatikana karibu na nyota nyingi, kama vile HL Tau, iko karibu miaka 450 ya mwanga kutoka Dunia katika Taurus ya nyota (Kielelezo\(\PageIndex{3}\)). Katika nyota zingine, mwangaza wa pete hutofautiana na msimamo; karibu na nyota nyingine, kuna arcs angavu na mapungufu katika pete. Mwangaza unaonyesha mkusanyiko wa vumbi, kwa kuwa kile tunachokiona ni infrared (mionzi ya joto) kutoka kwa chembe za vumbi kwenye pete. Vumbi zaidi inamaanisha mionzi zaidi.

Kielelezo\(\PageIndex{3}\): Vumbi Gonga karibu Star Young. Picha hii ilifanywa na ALMA (Atacama Kubwa Milimita/Submillimeter Array) katika wavelength ya milimita 1.3 na inaonyesha nyota mdogo HL Tau na diski yake ya protoplanetary. Inaonyesha pete nyingi na mapungufu ambayo yanaonyesha kuwepo kwa sayari zinazojitokeza, ambazo zinaenea njia zao wazi ya vumbi na gesi.

Tazama video fupi ya mkurugenzi wa NRAO (National Radio Astronomia Observatory) akielezea uchunguzi wa juu wa azimio la nyota vijana HL Tau. Wakati uko pale, angalia uhuishaji wa msanii wa disk ya protoplanetary ili kuona sayari mpya zinazozunguka nyota ya mwenyeji (mzazi).

Muhtasari

Ushahidi wa uchunguzi unaonyesha kwamba protostars nyingi zimezungukwa na diski zilizo na kipenyo kikubwa cha kutosha na wingi wa kutosha (kama vile 10% ile ya Jua) kuunda sayari. Baada ya miaka milioni chache, sehemu ya ndani ya disk imefutwa na vumbi, na disk ni kisha umbo kama donut na protostar unaozingatia katika shimo-kitu ambacho kinaweza kuelezewa na kuundwa kwa sayari katika eneo hilo la ndani. Karibu na nyota chache za zamani, tunaona disks zilizoundwa kutoka kwa uchafu zinazozalishwa wakati miili midogo (comets na asteroids) hupigana. Usambazaji wa nyenzo katika pete za disks za uchafu huenda umeamua na sayari za mchungaji, kama vile miezi ya mchungaji wa Saturn inayoathiri njia za nyenzo katika pete zake. Protoplaneti zinazokua kuwa mara 10 masi ya Dunia au kubwa ilhali bado kuna gesi kubwa katika diski zao zinaweza kukamata zaidi ya gesi hiyo na kuwa sayari kubwa kama Jupiter katika mfumo wa jua.