Jak tworzą się planety?

Naukowcy dzięki wykorzystaniu Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba dokonali przełomowego odkrycia w kwestii tego, jak powstają planety. Obserwując parę wodną w dyskach protoplanetarnych, potwierdzono proces fizyczny polegający na dryfowaniu pokrytych lodem ciał stałych z zewnętrznych obszarów dysku do jego środka.

Teoretycznie uznawano, że fragmenty lodu formujące się w zimnych, zewnętrznych regionach dysków protoplanetarnych – w tym samym obszarze, w którym powstają komety w naszym Układzie Słonecznym – powinny być podstawowymi elementami formowania się planet. Teoria zakłada, że lód powinien dryfować w kierunku wnętrza dysku, dostarczając zarówno ciała stałe, jak i wodę do forujących się planet.

Podstawowym założeniem było to, że gdy lodowe kamyki wchodzą w cieplejszy obszar w obrębie „linii śniegu” – miejscu, gdzie lód przechodzi w parę wodną – powinny uwalniać duże ilości zimnej pary wodnej. Dokładnie potwierdził Teleskop Webba.

„Webb w końcu ujawnił związek między obecnością pary wodnej we wnętrzu dysków protoplanetarnych a dryfem lodowych kamyków z jego obrzeży” – powiedział główny badacz Andrea Banzatti z Texas State University.

„W przeszłości mieliśmy bardzo statyczny obraz formowania się planet, prawie tak, jakby istniały tylko odizolowane strefy, z których formowały się planety” – wyjaśniła członek zespołu badawczego Colette Salyk z Vassar College w Poughkeepsie w stanie Nowy Jork. „Teraz mamy dowody na to, że strefy te mogą wchodzić ze sobą w interakcje. Jest to również coś, co prawdopodobnie miało miejsce w czasie tworzenia się planet w naszym Układzie Słonecznym”.

Naukowcy wykorzystali MIRI (instrument średniej podczerwieni) Webba do zbadania czterech dysków – dwóch zwartych i dwóch rozszerzonych – wokół gwiazd podobnych do Słońca. Szacuje się, że wszystkie cztery z tych gwiazd mają od 2 do 3 milionów lat, czyli są bardzo młode z punktu widzenia Wszechświata.

Astronomowie przewidują, że w dwóch obserwowanych przez nich zwartych dyskach nastąpi dryf lodowych kamyków, przenosząc je na odległość odpowiadającą orbicie Neptuna wokół Słońca. Z kolei w przypadku dysków rozszerzonych oczekuje się, że ich kamyki zostaną zatrzymane w pierścieniach w odległości nawet sześciokrotnie większej niż orbita Neptuna.

Obserwacje pozyskane przy pomocy Webba miały na celu ustalenie, czy w zwartych dyskach występuje większa obfitość wody w ich wewnętrznym, skalistym obszarze protoplanetarnym, jeśli dryf kamyków jest bardziej wydajny i dostarcza wiecej stałej masy i wody do wewnętrznych stref dysku. Zespół zdecydował się użyć MRS (spektrometru średniej rozdzielczości) MIRI, ponieważ może on łatwiej uchwycić parę wodną.

Wyniki potwierdziły oczekiwania, ujawniając nadmiar zimnej wody w zwartych dyskach w porównaniu z dużymi dyskami.

Kamyki dryfują, za każdym razem, gdy napotykają skok ciśnienia – mają tendencję do gromadzenia się tam, gdzie ciśnienie jest wyższe. Te pułapki ciśnieniowe niekoniecznie odcinają dryf kamyków, ale go utrudniają. To właśnie wydaje się dziać w dużych dyskach posiadających pierścienie.

Obecne badania sugerują, że duże planety mogą tworzyć pierścienie o zwiększonym ciśnieniu, w których gromadzą się lodowe kamyki. Tak właśnie mógł powstać Jowisz w naszym Układzie Słonecznym – hamując dostarczanie fragmentów skał i wody mniejszych, wewnętrznych i stosunkowo ubogich w wodę planet skalistych.

Emil Gołoś