Co sekundę w widzialnym wszechświecie rodzi się ponad 3000 gwiazd. Wiele z nich jest otoczonych przez to, co astronomowie nazywają dyskiem protoplanetarnym – wirującym „naleśnikiem” gorącego gazu i pyłu, z którego powstają planety. Dokładne procesy, w wyniku których powstają gwiazdy i układy planetarne, są jednak nadal słabo poznane.
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 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. Zasilane głównie przez pola magnetyczne, wiatry te mogą przebyć dziesiątki mil w ciągu zaledwie jednej sekundy. Odkrycia badaczy, opublikowane w Nature Astronomy, pomagają astronomom lepiej zrozumieć, w jaki sposób powstają i ewoluują młode układy planetarne.
Według głównej autorki artykułu, Ilarii Pascucci, profesor w Laboratorium Lunar and Planetary Laboratory na Uniwersytecie A, jednym z najważniejszych procesów zachodzących w dysku protoplanetarnym jest zjadanie przez gwiazdę materii z otaczającego 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”.
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 stały 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.
Ponieważ istnieją inne procesy kształtujące dyski protoplanetarne, umiejętność rozróżnienia pomiędzy różnymi zjawiskami ma kluczowe znaczenie, twierdzi druga autorka artykułu, Tracy Beck z Instytutu Naukowego Teleskopu Kosmicznego NASA.
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 Marsem. 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.
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 zebrać 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”.