Zespół naukowców dokonał przełomowego odkrycia w kwestii tego, jak powstają planety. Obserwując parę wodną w dyskach protoplanetarnych, JWST potwierdził proces fizyczny polegający na dryfowaniu pokrytych lodem ciał stałych z zewnętrznych obszarów dysku do strefy planet skalistych.
Teorie od dawna sugerują, że lodowe kamyki, które powstają w zimnych, zewnętrznych obszarach dysków protoplanetarnych – podobnych do tych, w których formują się komety w naszym Układzie Słonecznym – odgrywają kluczową rolę w tworzeniu planet. Według tych teorii, kamyki te powinny przemieszczać się w kierunku centralnej gwiazdy pod wpływem tarcia w gazowym dysku, dostarczając zarówno ciała stałe, jak i wodę niezbędną do powstania planet.
Głównym założeniem tej teorii jest, że gdy lodowe kamyki przechodzą z zimniejszego obszaru do cieplejszego obszaru wokół linii śniegu – gdzie lód zamienia się w parę wodną – powinny one uwalniać znaczne ilości chłodnej pary wodnej. To dokładnie zostało zaobserwowane przez Teleskop Webba.
Główny naukowiec Andrea Banzatti z Texas State University w San Marcos w Teksasie powiedział, że Webb w końcu ujawnił związek między parą wodną w wewnętrznym dysku a dryfem lodowych kamyków z zewnętrznego dysku. To odkrycie otwiera ekscytujące perspektywy badania procesów formowania się planet skalistych przy użyciu teleskopu Webba.
W przeszłości mieliśmy bardzo statystyczny obraz formowania się planet, gdzie istniały odizolowane strefy, z których powstawały planety – powiedziała członkini zespołu Colette Salyk z Vassar College w Poughkeepsie w stanie Nowy Jork. Jednak teraz mamy dowody na to, że te strefy mogą wchodzić ze sobą w interakcje. Jest to również coś, co prawdopodobnie miało miejsce w naszym Układzie Słonecznym.
Wykorzystanie mocy Webba
Naukowcy wykorzystali narzędzie MIRI (Mid-Infrared Instrument) znajdujące się na JWST (James Webb Space Telescope), aby zbadać cztery dyski - dwa zwarte i dwa rozproszone – otaczające gwiazdy podobne do Słońca. Szacuje się, że wszystkie cztery gwiazdy mają od 2 do 3 milionów lat, co oznacza, że są młodymi noworodkami w skali kosmicznej.
Przewiduje się, że dwa zwarte dyski doświadczają efektywnego dryfu kamyków, które dostarczane są na odległość odpowiadającą orbicie Neptuna. Natomiast w przypadku dysków rozproszonych przewiduje się, że kamyki zostaną zatrzymane w wielu pierścieniach, a ich odległość może być nawet sześciokrotnie większa niż orbita Neptuna.
Obserwacje przeprowadzone przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba miały na celu sprawdzenie, czy zwarte dyski posiadają większą ilość wody w swoim wewnętrznym, skalistym obszarze planet, zgodnie z oczekiwaniami. Te oczekiwania wynikają z przypuszczenia, że bardziej efektywny dryf kamyków może dostarczać znaczną masę i wodę do planet wewnętrznych. Zespół badawczy zdecydował się skorzystać z instrumentu MRS (Medium-Resolution Spectrometer) MIRI, ponieważ jest on wrażliwy na obecność pary wodnej w dyskach.
Wyniki potwierdziły oczekiwania, ujawniając nadmiar chłodnej wody w zwartych dyskach w porównaniu z dużymi dyskami.
Kiedy kamyki dryfują, za każdym razem, gdy napotkają skok ciśnienia, mają tendencję do gromadzenia się w tych obszarach. Te obszary o wyższym ciśnieniu niekoniecznie przerywają dryfowanie kamyków, ale utrudniają je. Podobny mechanizm występuje również w przypadku dużych dysków z pierścieniami i szczelinami, gdzie kamyki mogą być zatrzymywane przez obszary o większym ciśnieniu.
Obecne badania sugerują, że duże planety mogą tworzyć obszary o zwiększonym ciśnieniu, które prowadzą do powstawania pierścieni, w których mogą gromadzić się kamyki. Podobną rolę może odgrywać Jowisz w naszym Układzie Słonecznym, hamując dostarczanie kamyków i wody do naszych małych, wewnętrznych i stosunkowo ubogich w wodę planet skalistych.
Rozwiązanie zagadki
Kiedy dane pojawiły się po raz pierwszy, wyniki były zagadkowe dla zespołu badawczego. Przez dwa miesiące utknęliśmy na tych wstępnych wynikach, które mówiły nam, że zwarte dyski mają zimniejszą wodę, a duże dyski mają ogólnie cieplejszą wodę – wspomina Banzatti. To nie miało sensu, ponieważ wybraliśmy próbkę gwiazd o bardzo podobnych temperaturach.
Dopiero gdy Banzatti przeanalizował dane z dużych dysków, odpowiedź stała się oczywista: gęste dyski posiadają dodatkową ilość wody blisko linii śniegu, około dziesięć razy bliżej niż orbita Neptuna.
Wyniki zespołu zostały opublikowane 8 listopada 2023 roku w Astrophysical Journal Letters.
Więcej informacji:
- NASA's Webb Findings Support Long-Proposed Process of Planet Formation
- JWST Reveals Excess Cool Water near the Snow Line in Compact Disks, Consistent with Pebble Drift
Opracowanie: Agnieszka Nowak
Źródło: JWST
Na ilustracji: Wizja artystyczna porównująca dwa rodzaje typowych dysków, w których powstają planety, wokół nowonarodzonych gwiazd podobnych do Słońca. Po lewej stronie znajduje się dysk kompaktowy, a po prawej dysk rozszerzony ze przerwami. Źródło: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI)
