W każdej sekundzie w widzialnym Wszechświecie rodzi się ponad 3000 gwiazd. Wiele z nich otoczonych jest dyskiem protoplanetarnym. Procesy narodzin gwiazd i układów planetarnych są jednak wciąż słabo poznane.
Zespół kierowany przez naukowców z Uniwersytetu Arizony wykorzystał Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST), aby uzyskać jedne z najbardziej szczegółowych informacji na temat sił kształtujących dyski protoplanetarne. Obserwacje dają wgląd w to, jak nasz Układ Słoneczny mógł wyglądać 4,6 miliarda lat temu.
W szczególności zespół był w stanie z niespotykaną dotąd szczegółowością prześledzić tak zwane wiatry dyskowe. Wiatry te to strumienie gazu wydmuchiwane z dysku formującego planety w przestrzeń kosmiczną. Napędzane głównie przez pola magnetyczne, mogą pokonywać dziesiątki kilometrów w ciągu sekundy. Odkrycia naukowców, opublikowane w „Nature Astronomy”, pomagają astronomom lepiej zrozumieć, w jaki sposób powstają i ewoluują młode układy planetarne.
Według głównej autorki artykułu, Ilarii Pascucci, profesor z Lunar and Planetary Laboratory (LPL) na Uniwersytecie Arizony, jednym z najważniejszych procesów zachodzących w dysku protoplanetarnym jest pochłanianie przez gwiazdę materii z otaczającego ją dysku, co znane jest jako akrecja.
Sposób, w jaki gwiazda gromadzi masę, ma duży wpływ na ewolucję otaczającego ją dysku w czasie, w tym na to, w jaki później tworzą się planety – powiedziała Pascucci. Nie rozumiemy jeszcze do końca konkretnych procesów, ale uważamy, że wiatry napędzane przez pola magnetyczne na większości powierzchni dysku mogą odgrywać bardzo ważną rolę.
Młode gwiazdy rosną poprzez wciąganie 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 by na nią nie spadł. Astrofizycy nazywają ten proces „utratą momentu pędu”, ale jak dokładnie to się dzieje, okazało się nieuchwytne.
Aby doszło do akrecji, gaz w całym dysku musi pozbyć się momentu pędu, ale astrofizycy mają trudności z uzgodnieniem, jak dokładnie to przebiega. Wiatry dyskowe usuwają część gazu z powierzchni dysku – a wraz z nim moment pędu – co pozwala pozostałemu gazowi poruszać się do wewnątrz i ostatecznie spaść na gwiazdę.
Według drugiej autorki artykułu, Tracy Beck z NASA Space Telescope Science Institute, ponieważ istnieją inne procesy, które kształtują dyski protoplanetarne, niezwykle ważne jest rozróżnienie tych różnych zjawisk. Podczas gdy materia na wewnętrznej krawędzi dysku jest wypychana przez pole magnetyczne gwiazdy w tak zwanym wietrze X, zewnętrzne części dysku są erodowane przez intensywne światło gwiazdy, co skutkuje tak zwanymi wiatrami termicznymi, które wieją ze znacznie mniejszą prędkością.
Aby rozróżnić wiatr napędzany polem magnetycznym, wiatr termiczny i wiatr X, naprawdę potrzebowaliśmy wysokiej czułości i rozdzielczości JWST – powiedziała Beck.
W przeciwieństwie do wąsko ukierunkowanego wiatru X, wiatry zaobserwowane w niniejszym badaniu pochodzą z szerszego regionu, który obejmowałby wewnętrzne skaliste planety naszego Układu Słonecznego – mniej więcej między Ziemią a Marsem. Wiatry te rozciągają się również dalej nad dyskiem niż wiatry termiczne, osiągając odległości setki razy większe niż ta między Ziemią a Słońcem.
Nasze obserwacje sugerują, że uzyskaliśmy pierwsze obrazy wiatrów, które mogą usunąć moment pędu i rozwiązać długotrwały problem formowania się gwiazd i układów planetarnych – powiedziała Pascucci.
Do badań naukowcy wybrali cztery układy dysków protoplanetarnych, z których wszystkie wydają się być ustawione krawędzią do Ziemi.
Ich orientacja pozwoliła pyłowi i gazowi w dysku działać jak maska, blokując część jasnego światła gwiazdy centralnej, które w przeciwnym razie przyćmiłoby obrazy wiatrów – powiedział Naman Bajaj, doktorant w LPL, który przyczynił się do badania.
Dostrajając detektory JWST do różnych cząstek w określonych stanach przejściowych, zespół był w stanie prześledzić różne warstwy wiatrów. Obserwacje ujawniły skomplikowaną, trójwymiarową strukturę centralnego strumienia, zagnieżdżonego wewnątrz stożkowej otoczki wiatrów pochodzących z coraz większych odległości dysku, podobnej do warstwowej struktury cebuli. Ważne było wykrycie wyraźnej centralnej dziury wewnątrz stożków, utworzonej przez wiatry molekularne w każdym z czterech dysków.
Zespół Pascucci ma nadzieję rozszerzyć te obserwacje na więcej dysków protoplanetarnych, aby lepiej zrozumieć, jak powszechne są obserwowane struktury wiatru dyskowego we Wszechświecie i jak ewoluują one w czasie.
Uważamy, że mogą one być powszechne, ale przy czterech obiektach trudno to stwierdzić – powiedziała Pascucci. Chcemy uzyskać większą próbkę za pomocą JWST, a następnie sprawdzić, czy możemy wykryć zmiany w tych wiatrach w miarę powstawania gwiazd i formowania się planet.
Opracowanie: Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
- Winds of change: James Webb Space Telescope reveals elusive details in young star systems
- The nested morphology of disk winds from young stars revealed by JWST/NIRSpec observations
Źródło: Uniwersytet Arizony
Na ilustracji: Wizja artystyczna dysku protoplanetarnego otaczającego młodą gwiazdę pokazuje wirujący „naleśnik” gorącego gazu i pyłu, z którego powstają planety. Źródło: National Astronomical Observatory of Japan
