Zagnieżdżona morfologia strumieni gazu potwierdza mechanizm, który pomaga młodym gwiazdom rosnąć poprzez wchłanianie materiału z dysku.
Dyski tworzące planety, wiry gazu i pyłu wirujące wokół młodych gwiazd to żłobki, z których powstają układy planetarne, w tym nasz Układ Słoneczny. Astronomowie odkryli nowe szczegóły przepływów gazu, które z biegiem czasu rzeźbią i kształtują te dyski. Zaobserwowana zagnieżdżona struktura tych przepływów potwierdza długoterminowy mechanizm, który pozwala gwiazdom rosnąć poprzez pobieranie materiału z dysku.
Powstawanie gwiazd i dysków protoplanetarnych
Co sekundę w widzialnym wszechświecie pojawia się ponad 3000 gwiazd. Wiele z tych rodzących się gwiazd jest otoczonych przez to, co astronomowie nazywają dyskiem protoplanetarnym – wirującą, przypominającą naleśnik przestrzeń gorącego gazu i pyłu, która wspomaga rozwój gwiazdy centralnej i kładzie podwaliny pod nowe planety. Jednak dokładne mechanizmy powstawania gwiazd i układów planetarnych pozostają w dużej mierze tajemnicze.
JWST zapewnia niespotykane dotąd szczegóły dotyczące wiatrów dysku
Zespół astronomów kierowany przez badaczy z Uniwersytetu w Arizonie wspierany przez naukowców z Instytutu Astronomii Maxa Plancka (MPIA) w Heidelbergu w Niemczech wykorzystał metodę Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) w celu uzyskania najbardziej szczegółowych informacji na temat sił kształtujących dyski protoplanetarne. Obserwacje dają wgląd w to, jak mógł wyglądać nasz Układ Słoneczny 4,6 miliarda lat temu.
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. Wiatry te, zasilane głównie przez pola magnetyczne, mogą pokonać dziesiątki kilometrów w ciągu zaledwie jednej sekundy. Odkrycia badaczy, opublikowane niedawno w Astronomia przyrodniczapomóż astronomom lepiej zrozumieć, w jaki sposób powstają i ewoluują młode układy planetarne.
Pola magnetyczne jako czynniki napędzające wiatry dyskowe
Według głównej autorki artykułu, Ilarii Pascucci, profesor w Laboratorium Lunar and Planetary Laboratory na Uniwersytecie w Arizonie, jeden z najważniejszych procesów zachodzących w organizmie człowieka dysk protoplanetarny to gwiazda zjadająca materię z otaczającego ją dysku, co astronomowie nazywają akrecją.
„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 momentu pędu w akrecji dysku
Młode gwiazdy rosną poprzez pobieranie gazu z wirującego wokół nich dysku, 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 znajdujący się na dysku musi stracić moment pędu. Mimo to astrofizykom trudno jest dojść do porozumienia co do tego, jak dokładnie to się dzieje. W ostatnich latach pojawiły się napędzane magnetycznie wiatry dyskowe, które odgrywają kluczową rolę w odprowadzaniu części gazu z powierzchni dysku – wraz z momentem pędu – umożliwiając resztkom gazu przemieszczanie się do wewnątrz i ostatecznie opadanie na gwiazdę.
Rozróżnianie między mechanizmami wiatrowymi tarczowymi
Ponieważ inne procesy zachodzące również kształtują dyski protoplanetarne, umiejętność rozróżnienia między różnymi zjawiskami ma kluczowe znaczenie, twierdzi druga autorka artykułu, Tracy Beck z NASA’S Instytut Naukowy Teleskopów Kosmicznych.
Podczas gdy pole magnetyczne gwiazdy wypycha materię z wewnętrznej krawędzi dysku w wyniku zjawiska, które astronomowie nazywają wiatrem X, zewnętrzne części dysku ulegają erozji pod wpływem intensywnego światła gwiazd, co powoduje powstawanie tak zwanych wiatrów termicznych, które wieją ze znacznie mniejszą prędkością . Wysoka czułość i rozdzielczość JWST idealnie nadawały się do rozróżnienia pomiędzy wiatrem napędzanym polem magnetycznym, wiatrem termicznym i wiatrem X.
Kluczową właściwością odróżniającą wiatr napędzany magnetycznie od wiatru X jest to, że są one zlokalizowane dalej i rozciągają się na szersze obszary, w tym na wewnętrzne, skaliste planety naszego Układu Słonecznego – mniej więcej pomiędzy Ziemią a Mars. Wiatry te rozciągają się również dalej nad dyskiem niż wiatry termiczne, osiągając setki razy odległość między Ziemią a Słońcem.
Zdolność JWST do ujawnienia morfologii dysku
„Znaleźliśmy już obserwacyjne wskazania takiego wiatru w oparciu o obserwacje interferometryczne na falach radiowych” – zauważa astronom MPIA Dmitry Semenov. Jest także współautorem badania podstawowego. Jednakże obserwacje te nie pozwoliły na zbadanie całej morfologii wiatrów dyskowych, nie mówiąc już o ich szczegółowym zobrazowaniu. W szczególności zagnieżdżona struktura różnych składników wiatru, cecha charakterystyczna wiatrów dyskowych, wykraczała poza możliwości obserwacji. Natomiast nowe obserwacje JWST bez wątpienia ujawniły tę strukturę. Zaobserwowana morfologia odpowiada oczekiwaniom dotyczącym wiatru dyskowego napędzanego magnetycznie.
„Nasze obserwacje zdecydowanie sugerują, że uzyskaliśmy pierwsze szczegółowe obrazy wiatrów, które mogą usunąć moment pędu i rozwiązać długotrwały problem powstawania gwiazd i układów planetarnych” – powiedział Pascucci.
Do swoich badań naukowcy wybrali cztery systemy dysków protoplanetarnych, z których wszystkie, patrząc z Ziemi, wydają się być 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.
NIRSpec firmy JWST rozwiązuje morfologię zagnieżdżonego wiatru
Zespół był w stanie prześledzić różne warstwy wiatru, dostrajając detektor NIRSpec JWST do różnych atomów i cząsteczek znajdujących się w określonych stanach przejściowych. NIRSpec to wysokiej rozdzielczości spektrograf bliskiej podczerwieni firmy JWST. Astronomowie uzyskali przestrzennie rozdzielone informacje spektralne w całym polu widzenia, wykorzystując zintegrowaną jednostkę pola (IFU) spektrografu, czyli zasadniczo siatkę obserwującą różne pozycje na niebie. W ten sposób naukowcy zsyntetyzowali obrazy przy różnych diagnostycznych długościach fal, z których każdy był porównywalnie gruby, ale wciąż wystarczająco dobry, aby określić morfologię.
Obserwacje ujawniły skomplikowaną, trójwymiarową strukturę centralnego strumienia zagnieżdżonego wewnątrz stożkowej otoczki wiatrów pochodzących z coraz większych odległości od dysków, podobnej do warstwowej struktury cebuli. Według naukowców ważnym nowym odkryciem było konsekwentne wykrywanie wyraźnej centralnej dziury wewnątrz stożków, utworzonej przez wiatry molekularne w każdym z czterech dysków.
Poszerzenie wiedzy na temat wiatrów dyskowych i powstawania gwiazd
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.
„Uważamy, że mogą być powszechne, ale w przypadku czterech obiektów trochę trudno to stwierdzić” – powiedział Pascucci. „Chcemy uzyskać większą próbkę za pomocą JWST, 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
Naukowcy MPIA zaangażowani w to badanie to Dmitry Semenov i Kamber Schwarz.
Inni badacze to Ilaria Pascucci (Laboratorium Lunar and Planetary, University of Arizona, Tucson, USA). [UofA]kierownik badania), Tracy L. Beck (Instytut Nauki o Teleskopach Kosmicznych, Baltimore, USA), Sylvie Cabrit (Observatoire de Paris, LERMA, CNRS, Paryż, Francja) i Naman S. Bajaj (UofA).
NIRSpec jest częścią Europejska Agencja Kosmicznawkładu (ESA) w misję Webb, zbudowaną przez konsorcjum europejskich firm pod przewodnictwem Airbus Defence and Space (ADS). Centrum Lotów Kosmicznych Goddarda należące do NASA dostarczyło dwa podsystemy (detektory i mikroprzesłony). MPIA była odpowiedzialna za zakup komponentów elektrycznych do kół kratowych NIRSpec.
JWST to wiodące na świecie obserwatorium nauk kosmicznych. Jest to międzynarodowy program prowadzony przez NASA wspólnie ze swoimi partnerami, ESA (Europejską Agencją Kosmiczną) i CSA (Kanadyjską Agencją Kosmiczną).
Finansowanie tych prac zapewniła NASA i Europejska Rada ds. Badań Naukowych.
