Planety powstają w dyskach gazu i pyłu, krążących wokół młodych gwiazd. Badanie MIRI Mid-INfrared Disk Survey (MINDS), prowadzone przez Thomasa Henninga z Instytutu Astronomii Maxa Plancka (MPIA) w Heidelbergu w Niemczech, ma na celu ustalenie reprezentatywnej próbki dysku. Badając ich właściwości chemiczne i fizyczne za pomocą MIRI (instrumentu średniej podczerwieni) na pokładzie Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST), współpraca łączy te dyski z właściwościami potencjalnie tworzących się tam planet. W ramach nowego badania zespół naukowców zbadał okolice gwiazdy o bardzo małej masie, wynoszącej 0,11 mas Słońca (znanej jako ISO-ChaI 147), której wyniki ukazały się w czasopiśmie Science.
JWST otwiera nowe okno na chemię dysków planetotwórczych
„Te obserwacje nie są możliwe z Ziemi, ponieważ odpowiednie emisje gazów są pochłaniane przez jej atmosferę” – wyjaśnia główna autorka Aditya Arabhavi z Uniwersytetu w Groningen w Holandii. „Wcześniej mogliśmy zidentyfikować jedynie emisję acetylenu (C2H2) z tego obiektu. Jednak wyższa czułość JWST i rozdzielczość widmowa jego instrumentów pozwoliła nam wykryć słabą emisję mniej powszechnych cząsteczek”.
W ramach projektu MINDS odkryto gaz o temperaturze około 300 kelwinów (około 30 stopni Celsjusza), silnie wzbogacony w cząsteczki zawierające węgiel, ale pozbawiony form bogatych w tlen. „To znacznie różni się od składu, który widzimy w dyskach wokół gwiazd typu słonecznego, gdzie dominują cząsteczki przenoszące tlen, takie jak woda i dwutlenek węgla” – dodała członkini zespołu Inga Kamp z Uniwersytetu w Groningen.
Uderzającym przykładem dysku bogatego w tlen jest dysk PDS 70, w którym program MINDS odkrył niedawno duże ilości pary wodnej. Biorąc pod uwagę wcześniejsze obserwacje, astronomowie wnioskują, że dyski wokół gwiazd o bardzo małej masie ewoluują inaczej niż dyski wokół gwiazd o większej masie, takich jak Słońce, co może mieć potencjalne implikacje dla znalezienia tam planet skalistych o cechach podobnych do Ziemi. Ponieważ otoczenie takich dysków stwarza warunki, w jakich powstają nowe planety, każda taka planeta może być skalista, ale pod innymi względami zupełnie niepodobna do Ziemi.
Co to oznacza dla planet skalistych krążących wokół gwiazd o bardzo małej masie?
Ilość materiału i jego rozmieszczenie na tych dyskach ogranicza liczbę i rozmiary planet, które dysk może zaopatrzyć w niezbędny materiał. W rezultacie obserwacje wskazują, że skaliste planety o rozmiarach podobnych do Ziemi powstają wydajniej niż gazowe olbrzymy podobne do Jowisza w dyskach wokół gwiazd o bardzo małej masie, najpowszechniejszych gwiazd we Wszechświecie. W rezultacie zdecydowanie większość planet typu ziemskiego znajduje się w gwiazdach o bardzo małej masie.
„Wiele atmosfer pierwotnych tych planet będzie prawdopodobnie zdominowanych przez związki węglowodorów, a nie przez gazy bogate w tlen, takie jak woda i dwutlenek węgla” – zauważył Thomas Henning. „We wcześniejszym badaniu wykazaliśmy, że transport gazu bogatego w węgiel do strefy, w której zwykle tworzą się planety typu ziemskiego, zachodzi w tych dyskach szybciej i jest bardziej wydajny niż w przypadku bardziej masywnych gwiazd”.
Chociaż wydaje się jasne, że dyski wokół gwiazd o bardzo małej masie zawierają więcej węgla niż tlenu, mechanizm tej nierównowagi jest wciąż nieznany. Skład dysku jest wynikiem wzbogacenia węgla lub redukcji tlenu. Jeśli węgiel jest wzbogacony, przyczyną są prawdopodobnie cząstki stałe w dysku, z których węgiel odparowuje i jest uwalniany do gazowego składnika dysku. Ziarna pyłu pozbawione pierwotnego węgla ostatecznie tworzą skaliste ciała planetarne. Planety te byłyby ubogie w węgiel, podobnie jak Ziemia. Mimo to chemia oparta na węglu prawdopodobnie zdominowałaby przynajmniej ich pierwotne atmosfery zapewniane przez gaz dyskowy. Dlatego gwiazdy o bardzo małej masie mogą nie zapewniać najlepszych warunków do znajdowania planet podobnych do Ziemi.
JWST odkrywa bogactwo cząsteczek organicznych
Aby zidentyfikować gazy dyskowe, zespół wykorzystał spektrograf MIRI do rozłożenia promieniowania podczerwonego otrzymanego z dysku na sygnatury o małych zakresach długości fal – podobnie do rozszczepienia światła słonecznego na tęczę. W ten sposób zespół wyizolował bogactwo indywidualnych sygnatur przypisanych różnym cząsteczkom.
W rezultacie obserwowany dysk zawiera najbogatszy skład chemiczny węglowodorów zaobserwowany dotychczas w dysku protoplanetarnym, składający się z 13 cząsteczek zawierających węgiel, aż do benzenu (C6H6). Należy do nich pierwsze pozasłoneczne wykrycie etanu (C2H6), największego w pełni nasyconego węglowodoru wykrytego poza Układem Słonecznym. Zespołowi z powodzeniem po raz pierwszy udało się wykryć etylen (C2H4), propyn (C3H4) i rodnik metylowy CH3 w dysku protoplanetarnym. Natomiast dane nie zawierały śladów wody ani tlenku węgla na dysku.
Wyostrzanie widoku dysków wokół gwiazd o bardzo małej masie
Następnie zespół naukowy zamierza rozszerzyć swoje badania na większą próbkę takich dysków wokół gwiazd o bardzo małej masie, aby lepiej zrozumieć, jak powszechne są takie egzotyczne, bogate w węgiel obszary powstawania planet na Ziemi. „Poszerzenie naszych badań pozwoli nam również lepiej zrozumieć, w jaki sposób mogą tworzyć się te cząsteczki” – wyjaśnił Thomas Henning. „Kilka cech danych również pozostaje nadal niezidentyfikowanych, co wymaga dodatkowej spektroskopii w celu pełnej interpretacji naszych obserwacji”.
Informacje ogólne
Badanie zostało sfinansowane w ramach grantu ERBN dla zaawansowanych „Origins – From Planet-Forming Disks to Giant Planets” (ID grantu: 832428, PI: Thomas Henning, DOI: 10.3030/832428).
Naukowcy MPIA zaangażowani w to badanie to Thomas Henning, Matthias Samland, Giulia Perotti, Jeroen Bouwman, Silvia Scheithauer, Riccardo Franceschi, Jürgen Schreiber i Kamber Schwartz.
Inni badacze to Aditya Arabhavi (Uniwersytet w Groningen, Holandia [Groningen]), Inga Kamp (Groningen), Ewine van Dishoeck (Uniwersytet w Leiden, Holandia i Instytut Fizyki Pozaziemskiej im. Maxa Plancka, Garching, Niemcy), Valentin Christiaens (Uniwersytet w Liege, Belgia) i Agnes Perrin (Laboratoire de Météorologie Dynamique/IPSL CNRS, Palaiseau, Francja).
Konsorcjum MIRI składa się z państw członkowskich ESA: Belgii, Danii, Francji, Niemiec, Irlandii, Holandii, Hiszpanii, Szwecji, Szwajcarii i Wielkiej Brytanii. Krajowe organizacje naukowe finansują prace konsorcjum – w Niemczech, Towarzystwo Maxa Plancka (MPG) i Niemieckie Centrum Lotnictwa i Kosmonautyki (DLR). Niemieckie instytucje uczestniczące to Instytut Astronomii Maxa Plancka w Heidelbergu, Uniwersytet w Kolonii i Hensoldt AG w Oberkochen, dawniej Carl Zeiss Optronics.
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).