Nowe dane potwierdzają odkrycie Hubble’a i obalają obecne teorie powstawania planet w początkach Wszechświata.
Dzięki niesamowitej czułości i ostrej rozdzielczości, NASAKosmiczny Teleskop Webba właśnie rozwikłał kosmiczną tajemnicę, która intryguje astronomów od ponad dwudziestu lat. Jeszcze w 2003 roku Kosmiczny Teleskop Hubble’a dostrzegł oznaki masywnej planety krążącej wokół starożytnej gwiazdy. To odkrycie nie potwierdziło się — sądzono, że takim starym gwiazdom z wczesnego Wszechświata brakuje cięższych pierwiastków potrzebnych do budowy planet. Według istniejących modeli dyski wokół tych gwiazd powinny szybko zniknąć, nie pozostawiając czasu na wzrost, a nawet uformowanie się planet. Ale tam było!
Aby przeprowadzić dalsze badania, astronomowie zwrócili swój wzrok na NGC 346, pobliski obszar gwiazdotwórczy przypominający warunki panujące we wczesnym Wszechświecie. Hubble znalazł dowody sugerujące, że dyski tworzące planety nadal istnieją wokół gwiazd mających od 20 do 30 milionów lat – znacznie starszych, niż przewidywały modele, że takie dyski mogą przetrwać.
Chociaż odkrycia Hubble’a były przekonujące, teleskop nie był w stanie uchwycić szczegółowych widm potrzebnych do potwierdzenia, czy dyski te nadal aktywnie tworzą planety. Wprowadź Webba. Dzięki swojej niezrównanej mocy Webb potwierdził, że dyski tworzące planety w NGC 346 nie tylko istnieją, ale są zaskakująco długowieczne. To przełomowe odkrycie potwierdza wcześniejsze obserwacje Hubble’a i zmusza naukowców do ponownego przemyślenia, w jaki sposób – i kiedy – powstają planety we wszechświecie.
Kosmiczny Teleskop Webba odkrył, że dyski tworzące planety żyły dłużej we wczesnym Wszechświecie
NASA Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba rozwiązał istniejącą od kilkudziesięciu lat zagadkę kosmiczną, potwierdzając kontrowersyjne odkrycie dokonane po raz pierwszy przez Kosmiczny Teleskop Hubble’a ponad 20 lat temu.
W 2003 roku Hubble odkrył dowody masywnej planety krążącej wokół starożytnej gwiazdy prawie tak starej jak sam wszechświat. Gwiazdy z tamtej epoki zawierają jedynie śladowe ilości cięższych pierwiastków – kluczowych elementów budulcowych planet. Wskazywało to, że powstawanie planet rozpoczęło się zaskakująco wcześnie w historii wszechświata. W jakiś sposób planety zdołały się uformować i urosnąć — niektóre nawet większe Jupiter – pomimo niedoboru tych elementów. Ale jak to było możliwe?
Aby to zbadać, badacze wykorzystali Webba do badania gwiazd w pobliskiej galaktyce podobnej do wczesnego Wszechświata, w której również występuje rzadkość ciężkich pierwiastków. Potężne instrumenty Webba ujawniły, że niektóre z tych gwiazd nie tylko nadal posiadają dyski, w których powstają planety, ale także ich żywotność jest znacznie dłuższa niż te, które można znaleźć wokół młodszych gwiazd w naszej Galaktyce. Droga Mleczna galaktyka. To nieoczekiwane odkrycie podważa istniejące teorie na temat tego, jak i kiedy mogą powstawać planety.
„Dzięki Webbowi mamy naprawdę mocne potwierdzenie tego, co widzieliśmy za pomocą Hubble’a i musimy ponownie przemyśleć, w jaki sposób modelujemy powstawanie planet i wczesną ewolucję w młodym wszechświecie” – powiedział kierownik badania Guido De Marchi z Europejskiego Centrum Badań i Technologii Kosmicznej w Noordwijk, Holandia.
Inne środowisko we wczesnym wszechświecie
We wczesnym Wszechświecie gwiazdy powstały głównie z wodoru i helu oraz bardzo niewielu cięższych pierwiastków, takich jak węgiel i żelazo, które powstały później w wyniku eksplozji supernowych.
„Obecne modele przewidują, że przy tak małej liczbie cięższych pierwiastków dyski wokół gwiazd mają krótki czas życia, tak krótki, że w rzeczywistości planety nie mogą urosnąć do dużych rozmiarów” – powiedziała Elena Sabbi, współautorka badania Webba, główny naukowiec w Obserwatorium Gemini w National Science Podwaliny NOIRLab w Tucson. „Ale Hubble widział te planety, więc co by było, gdyby modele były nieprawidłowe i dyski mogły żyć dłużej?”
Kwestionowanie wcześniejszych teorii
Aby przetestować ten pomysł, naukowcy przeszkolili Webba w Małym Obłoku Magellana, galaktyce karłowatej będącej jedną z najbliższych sąsiadek Drogi Mlecznej. W szczególności zbadali masywną gromadę gwiazdotwórczą NGC 346, w której również występuje względny brak cięższych pierwiastków. Gromada służyła jako pobliski obiekt zastępczy do badania środowisk gwiazdowych o podobnych warunkach we wczesnym, odległym wszechświecie.
Obserwacje NGC 346 za pomocą Hubble’a z połowy XXI wieku ujawniły wiele gwiazd w wieku około 20 do 30 milionów lat, które zdawały się nadal posiadać wokół siebie dyski tworzące planety. Było to sprzeczne z konwencjonalnym przekonaniem, że takie dyski rozproszą się po 2–3 milionach lat.
„Odkrycia Hubble’a były kontrowersyjne, sprzeczne nie tylko z dowodami empirycznymi w naszej galaktyce, ale także z obecnymi modelami” – powiedział De Marchi. „To było intrygujące, ale nie można było tego uzyskać widma w przypadku tych gwiazd nie mogliśmy tak naprawdę ustalić, czy jesteśmy świadkami prawdziwej akrecji i obecności dysków, czy tylko jakichś sztucznych efektów”.
Po prawej stronie znajduje się porównanie górnej i dolnej linii. Porównanie to pokazuje duży pik zimnego wodoru cząsteczkowego pochodzącego z gwiazdy, ale nie z jej otoczenia mgławicowego. Ponadto wodór atomowy wykazuje większy pik od gwiazdy. Wskazuje to na obecność dysku protoplanetarnego bezpośrednio otaczającego gwiazdę. Dane zebrano za pomocą układu mikroprzesłon instrumentu NIRSpec (spektrometru bliskiej podczerwieni) znajdującego się na Kosmicznym Teleskopie Jamesa Webba. Źródło: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI)
Analiza widmowa Webba ujawnia nowe spostrzeżenia
Teraz, dzięki czułości i rozdzielczości Webba, naukowcy mają pierwsze w historii widma powstawania gwiazd podobnych do Słońca i ich bezpośredniego otoczenia w pobliskiej galaktyce.
„Widzimy, że gwiazdy te rzeczywiście są otoczone dyskami i nadal pożerają materię, nawet mając stosunkowo stary wiek, wynoszący 20–30 milionów lat” – powiedział De Marchi. „Oznacza to również, że planety mają więcej czasu na formowanie się i rozwój wokół tych gwiazd niż w pobliskich obszarach gwiazdotwórczych w naszej galaktyce”.
Strzałki kompasu północnego i wschodniego pokazują orientację obrazu na niebie. Zwróć uwagę, że relacja między północą a wschodem na niebie (patrząc od dołu) jest odwrócona w stosunku do strzałek kierunkowych na mapie ziemi (patrząc z góry).
W prawym dolnym rogu znajduje się podziałka oznaczona jako 50 lat świetlnych i 15 parseków. Długość paska skali wynosi w przybliżeniu jedną piątą całkowitej szerokości obrazu. Poniżej obrazu znajduje się klucz kolorów pokazujący, które filtry NIRCam zostały użyte do utworzenia obrazu i jaki kolor światła widzialnego jest przypisany do każdego filtra. Od lewej do prawej filtry NIRCam to: F200W jest niebieski; F277W jest zielony; F335M jest pomarańczowy; a F444W jest czerwony. Źródło: NASA, ESA, CSA, STScI, Olivia C. Jones (UK ATC), Guido De Marchi (ESTEC), Margaret Meixner (USRA)
Nowy sposób myślenia
Odkrycie to obala wcześniejsze przewidywania teoretyczne, że gdy w gazie wokół dysku będzie bardzo mało cięższych pierwiastków, gwiazda bardzo szybko zdmuchnie dysk. Zatem żywotność dysku byłaby bardzo krótka, nawet mniejsza niż milion lat. Ale jeśli dysk nie pozostanie wokół gwiazdy wystarczająco długo, aby ziarna pyłu sklejały się ze sobą, a kamyki utworzyły jądro i stały się jądrem planety, w jaki sposób mogą powstać planety?
Naukowcy wyjaśnili, że mogą istnieć dwa odrębne mechanizmy, a nawet ich kombinacja, umożliwiające utrzymywanie się dysków planetarnych w środowiskach ubogich w cięższe pierwiastki.
Po pierwsze, aby móc zdmuchnąć dysk, gwiazda przykłada ciśnienie promieniowania. Aby to ciśnienie było skuteczne, w gazie musiałyby znajdować się pierwiastki cięższe od wodoru i helu. Ale masywna gromada gwiazd NGC 346 zawiera tylko około dziesięciu procent cięższych pierwiastków obecnych w składzie chemicznym naszego Słońca. Być może po prostu gwiazda w tej gromadzie potrzebuje więcej czasu na rozproszenie dysku.
Druga możliwość jest taka, że aby gwiazda podobna do Słońca mogła powstać z niewielkiej liczby cięższych pierwiastków, musiałaby zacząć się od większego obłoku gazu. Większa chmura gazu wytworzy większy dysk. Zatem w dysku jest więcej masy i dlatego wydmuchanie dysku zajęłoby więcej czasu, nawet gdyby ciśnienie promieniowania działało w ten sam sposób.
„W przypadku większej ilości materii wokół gwiazd akrecja utrzymuje się dłużej” – stwierdziła Sabbi. „Dyski znikają dziesięć razy dłużej. Ma to wpływ na sposób tworzenia planety i typ architektury systemu, jaki można mieć w tych różnych środowiskach. To takie ekscytujące.”
Artykuł zespołu naukowego został opublikowany w numerze czasopisma z 16 grudnia The Dziennik astrofizyczny.
Odniesienie: „Dyski protoplanetarne wokół gwiazd podobnych do Słońca wydają się żyć dłużej, gdy metaliczność jest niska*” Guido De Marchi, Giovanna Giardino, Katia Biazzo, Nino Panagia, Elena Sabbi, Tracy L. Beck, Massimo Robberto, Peter Zeidler, Olivia C. Jones, Margaret Meixner, Katja Fahrion, Nolan Habel, Conor Nally, Alec S. Hirschauer, David R. Soderblom, Omnarayani Nayak, Laura Lenkić, Ciaran Rogers, Bernhard Brandl i Charles D. Keyes, 16 grudnia 2024 r., Dziennik astrofizyczny.
DOI: 10.3847/1538-4357/ad7a63
Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba to wiodące na świecie obserwatorium nauk kosmicznych, którego zadaniem jest badanie najgłębszych tajemnic wszechświata. Wyposażony w zaawansowane instrumenty Webb bada nasz Układ Słoneczny, odległe egzoplanety oraz pochodzenie galaktyk, gwiazd i struktur kosmicznych. Jej przełomowe odkrycia zmieniają nasze rozumienie wszechświata i naszego w nim miejsca. Webb to wspólny projekt prowadzony przez NASA, przy kluczowym udziale: Europejska Agencja Kosmiczna (ESA) i Kanadyjskiej Agencji Kosmicznej (CSA).
Kosmiczny Teleskop Hubble’a bada wszechświat od ponad trzydziestu lat, dokonując przełomowych odkryć, które w dalszym ciągu kształtują nasze rozumienie przestrzeni kosmicznej. W ramach wspólnego projektu NASA i Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA) Hubble wykonał wspaniałe zdjęcia i dostarczył kluczowych danych o galaktykach, gwiazdach i odległych planetach. Centrum lotów kosmicznych Goddard NASA zarządza teleskopem i jego operacjami misyjnymi, przy wsparciu Lockheed Martin Space. Operacje naukowe Hubble’a są prowadzone przez Instytut Naukowy Teleskopów Kosmicznych w Baltimore, prowadzonym przez Stowarzyszenie Uniwersytetów Badań Astronomicznych.
