Astronomowie odkryli nowe szczegóły przepływów gazu, które rzeźbią dyski planetarne i kształtują je z biegiem czasu, dając wgląd w to, jak prawdopodobnie powstał nasz Układ Słoneczny.
Używanie NASA’S Kosmiczny Teleskop Jamesa Webbaastronomowie zaobserwowali wiatry dyskowe w dyskach protoplanetarnych z niespotykaną dotąd szczegółowością, rzucając światło na powstawanie gwiazd i układów planetarnych. Odkrycia te mogą odzwierciedlać siły, które ukształtowały nasz Układ Słoneczny miliardy lat temu, podkreślając kluczowe procesy, takie jak akrecja i utrata pędu kątowego, które mają kluczowe znaczenie w ewolucji młodych gwiazd i planet.
Powstawanie gwiazd i układy planetarne
Co sekundę w widzialnym wszechświecie rodzi się ponad 3000 gwiazd. Wiele z nich jest otoczonych przez to, co astronomowie nazywają dyskiem protoplanetarnym — wirujący „naleśnik” gorącego gazu i pyłu, który służy za miejsce narodzin planet. Jednakże dokładne mechanizmy kierujące powstawaniem gwiazd i układów planetarnych pozostają nieuchwytne.
Zespół astronomów kierowany przez badaczy z Uniwersytetu w Arizonie wykorzystał należący do NASA Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba do uzyskania najbardziej szczegółowych informacji na temat sił kształtujących te dyski protoplanetarne. Ich obserwacje dają wgląd w wygląd naszego Układu Słonecznego 4,6 miliarda lat temu.
Wgląd w dynamikę dysku protoplanetarnego
W szczególności zespołowi udało się prześledzić z niespotykaną dotąd szczegółowością tzw. wiatry dyskowe. Wiatry te to strumienie gazu wiejące z dysku planetarnego w przestrzeń kosmiczną. Zasilane głównie przez pola magnetyczne, wiatry te mogą przebyć dziesiątki mil w ciągu zaledwie jednej sekundy. Ustalenia badaczy, opublikowane 4 października w Astronomia Przyrodniczapomóż astronomom lepiej zrozumieć, w jaki sposób powstają i ewoluują młode układy planetarne.
Według głównej autorki artykułu, Ilarii Pascucci, profesor na Uniwersytecie A Lunar and Planetary Laboratory, jeden z najważniejszych procesów zachodzących w organizmie dysk protoplanetarny to gwiazda zjadająca materię z otaczającego ją dysku, co jest znane jako akrecja.
„Sposób, w jaki gwiazda gromadzi masę, ma duży wpływ na ewolucję otaczającego dysku w czasie, w tym na sposób późniejszego formowania się planet” – powiedział Pascucci. „Nie poznano konkretnych sposobów, w jakie to się dzieje, ale uważamy, że wiatry napędzane polami magnetycznymi na większości powierzchni dysku mogą odgrywać bardzo ważną rolę”.
Zrozumienie akrecji i momentu pędu
Młode gwiazdy rosną poprzez pobieranie gazu z dysku, który wiruje wokół nich, ale aby tak się stało, gaz musi najpierw stracić część swojej bezwładności. W przeciwnym razie gaz stale krążyłby wokół gwiazdy i nigdy na nią nie spadał. Astrofizycy nazywają ten proces „utratą momentu pędu”, ale nie udało się ustalić, jak dokładnie to się dzieje.
Aby lepiej zrozumieć działanie momentu pędu w dysku protoplanetarnym, warto wyobrazić sobie łyżwiarkę figurową na lodzie: ułożenie ramion wzdłuż ciała sprawi, że będzie się kręcić szybciej, a rozciągnięcie spowolni jej rotację. Ponieważ jej masa się nie zmienia, moment pędu pozostaje taki sam.
Aby nastąpiła akrecja, gaz w dysku musi utracić moment pędu, ale astrofizykom nie jest łatwo dojść do porozumienia, jak dokładnie to się dzieje. W ostatnich latach wiatry dyskowe okazały się ważnymi czynnikami odprowadzającymi część gazu z powierzchni dysku – a wraz z nim moment pędu – co pozwala resztkom gazu przedostać się do wewnątrz i ostatecznie spaść na gwiazdę.
Zaawansowane obserwacje za pomocą Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba
Według drugiej autorki artykułu, Tracy Beck z NASA, ponieważ istnieją inne procesy kształtujące dyski protoplanetarne, umiejętność rozróżnienia między różnymi zjawiskami ma kluczowe znaczenie. Instytut Naukowy Teleskopów Kosmicznych.
Podczas gdy materia na wewnętrznej krawędzi dysku jest wypychana przez pole magnetyczne gwiazdy w tak zwanym wietrze X, zewnętrzne części dysku ulegają erozji pod wpływem intensywnego światła gwiazd, co powoduje powstawanie tak zwanych wiatrów termicznych, które wieją z dużą prędkością mniejsze prędkości.
„Aby rozróżnić wiatr napędzany polem magnetycznym, wiatr termiczny i wiatr X, naprawdę potrzebowaliśmy wysokiej czułości i rozdzielczości JWST (Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba)” – powiedział Beck.
W przeciwieństwie do wąsko skupionego wiatru X, wiatry obserwowane w niniejszym badaniu pochodzą z szerszego obszaru, który obejmowałby wewnętrzne, skaliste planety naszego Układu Słonecznego – mniej więcej pomiędzy Ziemią a Mars. Wiatry te rozciągają się również dalej nad dyskiem niż wiatry termiczne, osiągając odległości setki razy większe niż odległość między Ziemią a Słońcem.
„Nasze obserwacje zdecydowanie sugerują, że uzyskaliśmy pierwsze obrazy wiatrów, które mogą usunąć moment pędu i rozwiązać długotrwały problem powstawania gwiazd i układów planetarnych” – powiedział Pascucci.
Przyszłe kierunki badań i implikacje
Do swoich badań naukowcy wybrali cztery układy dysków protoplanetarnych, z których wszystkie, patrząc z Ziemi, wydają się ustawione krawędzią do góry.
„Ich orientacja pozwoliła pyłowi i gazowi w dysku działać jak maska, blokując część światła jasnej gwiazdy centralnej, które w przeciwnym razie przyćmiłoby wiatry” – powiedział Naman Bajaj, absolwent w Lunar and Planetary Laboratory, który przyczynił się do do badania.
Dostrajając detektory JWST do różnych cząsteczek znajdujących się w określonych stanach przejściowych, zespół był w stanie prześledzić różne warstwy wiatrów. Obserwacje ujawniły skomplikowaną, trójwymiarową strukturę centralnego strumienia, zagnieżdżoną wewnątrz stożkowej otoczki wiatrów pochodzących z coraz większych odległości od dysków, podobnej do warstwowej struktury cebuli. Zdaniem naukowców ważnym nowym odkryciem było konsekwentne wykrywanie wyraźnej centralnej dziury wewnątrz stożków, utworzonej przez wiatry molekularne w każdym z czterech dysków.
Następnie zespół Pascucciego ma nadzieję rozszerzyć te obserwacje na więcej dysków protoplanetarnych, aby lepiej zrozumieć, jak powszechne są obserwowane struktury wiatrów dyskowych we wszechświecie i jak ewoluują w czasie.
„Uważamy, że mogą być powszechne, ale w przypadku czterech obiektów trochę trudno to stwierdzić” – powiedział Pascucci. „Chcemy uzyskać większą próbkę za pomocą Jamesa Webba, a następnie sprawdzić, czy uda nam się wykryć zmiany w tych wiatrach podczas gromadzenia się gwiazd i formowania się planet”.
Odniesienie: „Zagnieżdżona morfologia wiatrów dyskowych młodych gwiazd ujawniona przez obserwacje JWST/NIROSpec” autorstwa Ilarii Pascucci, Tracy L. Beck, Sylvie Cabrit, Naman S. Bajaj, Suzan Edwards, Fabien Louvet, Joan R. Najita, Bennett N. Skinner, Uma Gorti, Colette Salyk, Sean D. Brittain, Sebastiaan Krijt, James Muzerolle Page, Maxime Ruaud, Kamber Schwarz, Dmitry Semenov, Gaspard Duchêne i Marion Villenave, 4 października 2024 r., Astronomia Przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41550-024-02385-7
Finansowanie tych prac zapewniła NASA i Europejska Rada ds. Badań Naukowych.
