Naukowcy uważają, że układy planetarne, takie jak nasz Układ Słoneczny, zawierają więcej obiektów skalistych niż obiektów bogatych w gaz. Wokół naszego Słońca są to planety wewnętrzne – Merkury, Wenus, Ziemia i Mars – pas asteroidów oraz obiekty Pasa Kuipera, takie jak Pluton.
Z drugiej strony Jowisz, Saturn, Uran i Neptun zawierają głównie gaz. Jednak naukowcy od dawna wiedzą również, że dyski tworzące planety na początku mają 100 razy większą masę w gazie niż w ciałach stałych, co prowadzi do palącego pytania: kiedy i w jaki sposób większość gazu opuszcza powstający układ planetarny?
Odpowiedzi dostarczają nowe badania prowadzone pod kierunkiem Namana Bajaja z Laboratorium Lunar and Planetary Laboratory na Uniwersytecie Arizony, opublikowane w czasopiśmie Astronomical Journal. Korzystając z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST), zespół uzyskał obrazy rodzącego się układu planetarnego – znanego również jako dysk okołogwiazdowy – w procesie aktywnego rozpraszania swojego gazu w otaczającej przestrzeni.
„Wiedza o tym, kiedy gaz się rozprasza, jest ważna, ponieważ daje nam lepsze wyobrażenie o tym, ile czasu planety gazowe muszą zużywać gaz ze swojego otoczenia” – powiedział Bajaj, doktorant drugiego roku w Laboratorium Lunar and Planetary Laboratory w UArizona. „Dzięki bezprecedensowemu wglądowi w dyski otaczające młode gwiazdy, miejsca narodzin planet, JWST pomaga nam odkryć, w jaki sposób powstają planety”.
Według Bajaja na bardzo wczesnych etapach powstawania układów planetarnych planety łączą się, tworząc wirujący dysk gazu i drobnego pyłu wokół młodej gwiazdy. Cząstki te zlepiają się, tworząc coraz większe kawałki zwane planetozymalami. Z czasem te planetozymale zderzają się i sklejają, ostatecznie tworząc planety. Rodzaj, rozmiar i położenie planet, które powstają, zależą od ilości dostępnej materii i czasu jej pozostawania w dysku.
„W skrócie, wynik powstawania planet zależy od ewolucji i rozproszenia dysku” – powiedział Bajaj.
Sednem tego odkrycia jest obserwacja T Cha, młodej gwiazdy – w stosunku do Słońca, która ma około 4,6 miliarda lat – otoczonej przez erodujący dysk okołogwiazdowy charakteryzujący się ogromną szczeliną pyłową rozciągającą się na około 30 jednostek astronomicznych lub au, gdzie jeden au to średnia odległość między Ziemią a Słońcem.
Bajaj i jego zespół po raz pierwszy byli w stanie zobrazować wiatr dyskowy, czyli gaz, który powoli opuszcza dysk tworzący planety. Astronomowie wykorzystali czułość teleskopu na światło emitowane przez atom, gdy wysokoenergetyczne promieniowanie – na przykład w świetle gwiazd – odrywa jeden lub więcej elektronów od jego jądra. Nazywa się to jonizacją, a światło emitowane w tym procesie można wykorzystać jako rodzaj chemicznego „odcisku palca” – w przypadku układu T Cha do śledzenia dwóch gazów szlachetnych, neonu i argonu. Obserwacje są także pierwszym przypadkiem wykrycia podwójnej jonizacji argonu w dysku tworzącym planety – pisze zespół w artykule.
„Nonowy podpis na naszych zdjęciach mówi nam, że wiatr dyskowy pochodzi z większego obszaru oddalonego od dysku” – powiedział Bajaj. „Wiatry te mogą być napędzane albo przez wysokoenergetyczne fotony – zasadniczo światło płynące z gwiazdy – albo przez pole magnetyczne, które przepływa przez dysk, z którego powstają planety”.
Próbując rozróżnić oba zjawiska, ta sama grupa, tym razem kierowana przez Andrew Sellka, badacza ze stopniem doktora na Uniwersytecie w Lejdzie w Holandii, przeprowadziła symulacje rozproszenia napędzanego przez fotony gwiazdowe, czyli intensywnego światła płynącego z młodej gwiazdy. Porównali te symulacje z rzeczywistymi obserwacjami i odkryli, że rozproszenie przez wysokoenergetyczne fotony gwiazdowe może wyjaśnić obserwacje, a zatem nie można go wykluczyć. Z badania tego wynika, że ilość gazu rozpraszanego co roku z dysku T Cha jest równa ilości gazu wydobywającego się z ziemskiego księżyca. Wyniki te zostaną opublikowane w artykule towarzyszącym, obecnie recenzowanym w czasopiśmie Astronomical Journal.
Chociaż sygnatury neonów wykryto w wielu innych obiektach astronomicznych, nie wiedziano, że pochodzą one z dysków planetotwórczych o małej masie, aż do pierwszego odkrycia w 2007 roku za pomocą poprzednika JWST, należącego do NASA Kosmicznego Teleskopu Spitzera, przez Ilarię Pascucci, profesor z LPL, która wkrótce zidentyfikował je jako ślady wiatrów dyskowych. Te wczesne odkrycia zmieniły wysiłki badawcze skupione na zrozumieniu rozprzestrzeniania się gazu z dysków okołogwiazdowych. Pascucci jest głównym badaczem najnowszego projektu obserwacyjnego i współautorem opisanych tutaj publikacji.
„Nasze odkrycie przestrzennie rozdzielonej emisji neonu – i pierwsze wykrycie podwójnie zjonizowanego argonu – za pomocą Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba może stać się kolejnym krokiem w kierunku zmiany naszego zrozumienia, w jaki sposób gaz usuwa się z dysku tworzącego planety” – powiedział Pascucci . „Te spostrzeżenia pomogą nam lepiej poznać historię i wpływ na nasz Układ Słoneczny”.
Ponadto grupa odkryła również, że wewnętrzny dysk T Cha ewoluuje w bardzo krótkich odstępach czasu, wynoszących dziesięciolecia; odkryli, że widmo obserwowane przez JWST różni się od wcześniejszego widma wykrytego przez Spitzera. Według Chengyana Xie, doktoranta drugiego roku na LPL, który kieruje trwającymi pracami, tę rozbieżność można wytłumaczyć małym, asymetrycznym dyskiem wewnątrz T Cha, który stracił część swojej masy w ciągu krótkich 17 lat, które minęły. jaki upłynął pomiędzy obydwoma obserwacjami.
„Wraz z innymi badaniami wskazuje to również, że dysk T Cha znajduje się na końcu swojej ewolucji” – powiedział Xie. „Być może w ciągu naszego życia będziemy świadkami rozproszenia całej masy pyłu w wewnętrznym dysku T Cha”.
Współautorami publikacji są Uma Gorti z Instytutu SETI, Richard Alexander z Uniwersytetu w Leicester, Jane Morrison i Andras Gaspar z Obserwatorium Stewarda w UArizona, Cathie Clarke z Uniwersytetu w Cambridge, Giulia Ballabio z Imperial College London oraz Dingshan Denga z Laboratorium Księżycowym i Planetarnym.