Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba pomaga zbadać, jak tworzą się planety

Astronomowie za pomocą Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST) próbują zbadać, w jaki sposób powstają planety, poprzez lepsze zrozumienie miejsc ich narodzin i dysków protoplanetarnych otaczających młode gwiazdy.

Naukowcy z University of Arizona, pod kierownictwem Namana Bajaja, po raz pierwszy uchwycili wiatry ze starego dysku planetotwórczego, który aktywnie rozprasza zawartość gazu wewnątrz. Dysk był już wcześniej obrazowany, ale wiatry wewnątrz starych dysków dotychczas nie. Wiedza o tym, kiedy gaz się rozprasza, zdaniem astronomów jest ważna, ponieważ ogranicza czas, jaki pozostał rodzącym się planetom na pochłonięcie gazu z otoczenia. Badanie zostało opublikowane w The Astronomical Journal.

Naukowcy skupili się na obserwacji TCha, młodej gwiazdy otoczonej erodującym dyskiem, który wyróżnia się ogromną luką pyłową o promieniu około 30 jednostek astronomicznych. Po raz pierwszy naukowcy zobrazowali rozpraszający się gaz (tzw. wiatry) za pomocą linii gazów szlachetnych: neonu (Ne) i argonu (Ar). Argon został pierwszy raz zaobserwowany w dyskach protoplanetarnych. Obrazy [Ne II] pokazują, że wiatr pochodzi z wewnętrznego obszaru dysku.

„Wiatry te mogą być napędzane przez wysokoenergetyczne fotony gwiezdne (światło gwiazdy) lub przez pole magnetyczne, które oplata dysk formujący planetę” – mówi Bajaj.

Zdaniem astronomów układy planetarne, takie jak Układ Słoneczny, wydają się zawierać więcej obiektów skalistych niż bogatych w gaz. Wokół Słońca są to planety wewnętrzne, pas asteroid i pas Kuipera. Jednak naukowcy od dawna wiedzą, że dyski planetotwórcze zaczynają się od 100 razy większej masy gazu niż ciał stałych. Nie wiadomo, kiedy większość gazu opuszcza dysk protoplanetarny.

Jak tłumaczą naukowcy, podczas bardzo wczesnych etapów formowania się układu planetarnego, planety tworzą się z wirującego dysku gazu i drobnego pyłu wokół młodej gwiazdy. Cząsteczki te zlepiają się ze sobą, tworząc coraz większe fragmenty zwane planetozymalami. Z czasem zderzają się one ze sobą, ostatecznie tworząc planety. Rodzaj, rozmiar i lokalizacja formujących się planet, zależą od ilości dostępnego materiału i tego, jak długo pozostaje on w dysku – formowania się planet zależy od ewolucji i rozproszenia dysku.

Astronomowie przeprowadzili symulacje rozproszenia napędzanego fotonami gwiezdnymi, aby rozróżnić te zjawiska. Porównali je z rzeczywistymi obserwacjami i stwierdzili, że rozpraszanie przez wysokoenergetyczne fotony gwiezdne może wyjaśnić obserwacje, a zatem nie można wykluczyć takiej możliwości.

Naukowcy obliczyli, że masa rozpraszająca się każdego roku jest równoważna masie Księżyca. Linia [Ne II] została po raz pierwszy odkryta w kilku dyskach planetotwórczych w 2007 roku za pomocą Kosmicznego Teleskopu Spitzera i wkrótce została zidentyfikowana jako znacznik wiatrów przez profesora Pascucciego z University of Arizona, to zmieniło wysiłki badawcze skoncentrowane na zrozumieniu rozpraszania gazu w dysku. Odkrycie przestrzennie rozdzielonego [Ne II] i pierwsze wykrycie [Ar III] za pomocą JWST może stać się kolejnym krokiem w kierunku przekształcenia zrozumienia tego w jaki sposób powstają planety.

„Po raz pierwszy użyliśmy neonu do badania dysków planetotwórczych ponad dekadę temu, testując nasze symulacje obliczeniowe w odniesieniu do danych ze Spitzera i nowych obserwacji uzyskanych za pomocą ESO VLT. Wiele się nauczyliśmy, ale te obserwacje nie pozwoliły nam zmierzyć, ile masy tracą dyski. Nowe dane z JWST są spektakularne, a możliwość rozpoznania wiatrów dyskowych na obrazach jest czymś, o czym nigdy nie myślałem, że będzie możliwe. Wraz z kolejnymi obserwacjami, JWST pozwoli nam zrozumieć młode układy planetarne jak nigdy dotąd” – zaznaczał profesor Richard Alexander z University of Leicester School of Physics and Astronomy.

Badacze odkryli również, że wewnętrzny dysk TCha ewoluuje w bardzo krótkich skalach czasowych – rzędu dziesięcioleci. Odkryli, że widmo JWST struktury różni się od wcześniejszego widma Spitzera. Według Chengyana Xie z University of Arizona, głównego autora badania, to niedopasowanie można wyjaśnić małym, asymetrycznym dyskiem wewnętrznym, który stracił część swojej masy w ciągu zaledwie 17 lat. Sugeruje to również, że dysk TCha znajduje się na końcu swojej ewolucji.

Odkrycia te oferują nowy wgląd w złożone interakcje, które prowadzą do rozproszenia gazu i pyłu, z którego tworzą się planety. Dzięki zrozumieniu mechanizmów stojących za dyspersją dysku, naukowcy mogą lepiej przewidywać czas i środowiska sprzyjające narodzinom planet.

Emil Gołoś