Ta zapierającej dech w piersiach mozaika zdjęć z teleskopu Webba przedstawia gromadę otwartą NGC 1333. To zdjęcie w połączeniu z obserwacjami spektroskopowymi oferuje bezprecedensowe spojrzenie do wnętrza jednego z najbliższych i najbardziej dynamicznych gwiezdnych żłobków w naszym kosmicznym sąsiedztwie.
Naukową wartość tych obserwacji Webba stanowi odkrycie sześciu kandydatów na planety o masach nieco większych od masy Jowisza, które nie są związane z żadna gwiazdą – tzw. FFPMO (skrót z j.ang. free-floating planetary-mass objects - swobodne obiekty o masach planetarnych).
Otwarta gromada gwiazdowa NGC 1333 znajduje się w odległości około 960 lat świetlnych od Ziemi w pobliżu zachodniej krawędzi kompleksu obłoków molekularnych w gwiazdozbiorze Perseusza. Jest to mgławica refleksyjna - znana również jako Ced 16 i LBN 741, która została odkryta w 1855 roku przez niemieckiego astronoma Eduarda Schönfelda. NGC 1333 jest miejscem narodzin dwóch grup gwiazd nie starszych niż 2 miliony lat.
Wcześniej, bo w kwietniu 2023 roku ten obszar nieba uchwycił na zdjęciu Kosmiczny Teleskop Hubble'a z okazji 33 rocznicy wystrzelenia na orbitę – co nastąpiło w dniu 24 kwietnia 1990 roku.
Na ilustracji: Gromada otwarta NGC 1333 sfotografowana przez teleskop Hubble’a w kwietniu 2023 roku z okazji 33 rocznicy wystrzelenia na orbitę. Lewa połowa ilustracji oznaczona jako „NGC 1333, HST WFC3/UVIS” jest kolorowym obrazem tej gromady w czterech filtrach (czyli barwach) zakresu optycznego o długościach fali 0,475μm (niebieski), 0,606μm (zielony), 0,657μm +0,814μm (czerwony). Na dole oznaczono skalę zdjęcia 0,2 roku świetlnego / 43” sekundy łuku. W prawej połowie pokazano te same zdjęcia w indywidualnych filtrach. Źródło: NASA, ESA, STScI
Na ilustracji: Gromada otwarta NGC 1333 sfotografowana w zakresie optycznym (0,475 – 0,814μm) przez teleskop Hubble’a w kwietniu 2023 roku z okazji 33 rocznicy wystrzelenia na orbitę. Na zdjęciu widać, że narodziny gwiazd są zjawiskiem chaotycznym. Gwałtowne wiatry gwiazdowe, które najprawdopodobniej pochodzą od jasnej, niebieskiej gwiazdy na górze zdjęcia, przenikają przez kurtynę pyłu.
Nieco niżej jasna i bardzo gwiazda prześwituje przez włókna przesłaniającego ją pyłu i wygląda niczym Słońce przeświecające przez rozproszone chmury. Zarówna ta jasna gwiazda jak i rozmieszczony skośnie łańcuszek słabszych gwiazd towarzyszących jest czerwonawy, ponieważ pył filtruje światło tych gwiazd - przepuszczając więcej światła czerwonego niż niebieskiego.
W dolnej części zdjęcia widać ciemną mgławicę podobną do dziurki od klucza. Otacza ją czerwonawa poświata zjonizowanego wodoru - wyglądająca niczym finał pokazu sztucznych ogni. W tym obszarze można zauważyć wąskie dżety wyrzucane z nowo powstających gwiazd, które znajdują się poza polem widzenia. Te gwiazdy są otoczone przez dyski okołogwiazdowe (w nich ostatecznie mogą powstać układy planetarne) oraz potężne pola magnetyczne (ukierunkowują one wyrzut materii z rodzącej się gwiazdy w dwie równoległe wiązki gorącego gazu – tzw. dżety).
Źródło: NASA, ESA, STScI
Webb sfotografował tylko dolny, ale bardzo malowniczy fragment zdjęcia z teleskopu Hubble’a przedstawiający okolice ciemnej mgławicy podobnej do dziurki od klucza otoczonej czerwonawą poświatą zjonizowanego wodoru, która wygląda niczym finał pokazu sztucznych ogni.
Teleskop Webba jest w stanie zajrzeć głębiej przez pyłową zasłonę niż Hubble’a - obserwując z większą aperturą i w podczerwonej części widma.
Pokazana poniżej mozaika zdjęć z Webba prezentuje zachwycającą różnorodność obiektów, w tym wiele właśnie rodzących się gwiazd, brązowych karłów, a nawet nieco lżejszych od tych ostatnich - obiektów o masie planetarnej. W okolicach centralnych zdjęcia możemy zajrzeć głęboko do wnętrza mgławicy NGC 1333, gdzie duże pomarańczowe plamy reprezentują gaz świecący w podczerwieni. Te świecące obszary to są obiekty Herbiga-Haro, które tworzą się, gdy zjonizowana materia wyrzucona z młodych gwiazd w postaci dżetu/dżetów zderza się z otaczającym ją obłokiem gazowo-pyłowym - sygnalizując aktywne miejsce formowania się gwiazd.
Jednym z nich jest obiekt Herbiga-Haro HH 12, który znajduje się w pobliżu środka poniższego zdjęcia (a dokładnie - współrzędne HH 12 na epokę J2000: RA=03h 28m 59.4s / DEC= +31° 20’ 11”, czyli 52°.2475 / 31°.3364).
Identyfikację innych obiektów w NGC 1333 – w tym obiektów HH, można znaleźć np. pod odnośnikiem z opisem zdjęcia w zakresie optycznym wykonanego przez Josepa M. Drudisa.
Wiele z tych młodych gwiazd jest otoczonych przez dyski gazu i pyłu, w których mogą ostatecznie uformować się układy planetarne. Na przykład w dolnym prawym rogu poniższej mozaiki zdjęciowe Webba można dostrzec cień jednego z takich dysków w postaci dwóch ciemnych stożków na jasnym tle. Ten widok daje wgląd we wczesne etapy formowania się planet - procesu, który również przyczynił się do narodzin naszego Układu Słonecznego.
Na ilustracji:
Górny Panel - mozaika zdjęć mgławicy NGC 1333 w bliskiej podczerwieni o polu widzenia ~0,14°x0,16° uzyskana za pomocą instrumentu NIRISS (Near Infrared Imager and Slitless Spectrograph) współpracującego z teleskopem Webba.
Dolny panel – dla porównania lokalizacja na zdjęciu o polu widzenia ~3’ ( ~0,05°) z przeglądu 2MASS w podczerwieni i DSS w zakresie widzialnym przykładowego obiektu Herbig-Haro HH 12 (współrzędne HH 12 na epokę J2000: RA=52°.2475, DEC=+31°.3364), który znajduje się w pobliżu środka mozaiki z górnego panelu.
Źródło: górny panel - ESA/Webb, NASA & CSA, A. Scholz, K. Muzic, A. Langeveld, R. Jayawardhana, dolny panel – Simbad
Jednym z najbardziej ekscytujących aspektów tych obserwacji Webba jest odkrycie swobodnych brązowych karłów nie związanych grawitacyjnie z gwiazdami. Te ciała niebieskie są zbyt małe, aby podtrzymać fuzję wodoru jak gwiazdy. Często są nazywane „nieudanymi gwiazdami”, ponieważ nie osiągnęły masy powyżej ~8% masy Słońca (Mʘ), aby uruchomić reakcje syntezy wodoru w hel.
W tym obszarze NGC 1333 astronomowie zaobserwowali 19 brązowych karłów. Większość z nich potwierdzili spektroskopowo na widmach z instrumentu NIRISS (Near Infrared Imager and Slitless Spectrograph) współpracującego z teleskopem Webba, który może rejestrować zarówno obrazy obiektów astronomicznych, jak i ich widma w niskiej rozdzielczości.
Tym co odróżnia brązowe karły od planet jest zdolność czasowa tych pierwszych do syntezy izotopu wodoru zwanego deuterem. Wśród astronomów panuje konsensus, że najlżejsze brązowe karły, w których jeszcze zachodzi reakcja syntezy deuteru posiadają masę ~0,015 Mʘ (~15 mas Jowisza) i statystycznie na każde 10 gwiazd rodzi się ~2-5 brązowych karłów. Deuter jest czasowym źródłem energii młodych brązowych karłów dopóki się nie wypali. Dodatkowo dla cięższych brązowych karłów (masa większa od ~65 mas Jowisza) źródłem energii jest synteza litu.
Niezwykła czułość Webba pozwoliła astronomom zidentyfikować również niektóre z najsłabszych obiektów w NGC 1333. Odkryto sześć prawdopodobnych planety o masach nieco większych od masy Jowisza (~5-10 mas Jowisza), które nie są związane grawitacyjnie z żadną gwiazdą. W żargonie astrofizyków są to tzw. FFPMO (skrót z j.ang. free-floating planetary-mass objects - swobodne obiekty o masach planetarnych).
Ważnym faktem obserwacyjnym jest to, że w NGC 1333 nie zarejestrowano swobodnych planet o masach mniejszych od około 4 mas Jowisza. Czułość teleskopu Webba umożliwia detekcję tych obiektów o masach nawet rzędu 1 masy Jowisza.
Warto wspomnieć, że niektórzy astronomowie nazywają brązowymi podkarłami (j.ang. Sub-brown dwarf / planetary-mass brown dwarf) obiekty o masach mniejszych niż ~15 mas Jowisza (nie zachodzi reakcja fuzji deuteru), które powstały tak jak gwiazdy i brązowe karły, czyli przez kolaps obłoku gazowo-pyłowego. Powoduje to „bałagan” w nazewnictwie, ponieważ takie ciała niebieskie są nazywane przez innych astronomów swobodnymi planetami (ang. free-floating planet). Np. swobodne brązowe podkarły są nierozróżnialne obserwacyjnie od swobodnych planet wyrzuconych z orbit wokół gwiazd macierzystych. Ten galimatias powinien zniknąć, gdy lepiej poznamy ich naturę.
Więcej informacji na temat swobodnych planet i brązowych karłów można znaleźć w przeglądowym artykule w języku angielskim z roku 2023 pt. „Pochodzenie swobodnych planet”.
Na ilustracji: Podczas najnowszego przeglądu obserwacyjnego mgławicy NGC 1333 w bliskiej podczerwieni teleskop Webba z pomocą instrumentu NIRISS odkrył sześciu kandydatów na planety o masach nieco większych od masy Jowisza, które nie są związane z żadną gwiazdą (zielonymi okręgami zaznaczono pozycje trzech z nich). Źródło: ESA/Webb, NASA & CSA, A. Scholz, K. Muzic, A. Langeveld, R. Jayawardhana
Najciekawszym z tych FFPMO jest pokazany na poniższej ilustracji najmniej masywny z nich (masa „tylko” około pięć razy większa niż masa Jowisza / ~1600 mas ziemskich). Ta prawdopodobna planeta oznaczony w publikacji jako NIRISS-NGC1333-5 emituje nadwyżkę promieniowania w podczerwieni – co może sugerować, że jest otoczona dyskiem. Obecność tego dysku jest mocnym argumentem na rzecz jej powstania w taki sam sposób, jak rodzą się gwiazdy (tzn. kolaps obłoku gazowo-pyłowego), ponieważ zazwyczaj pył i gaz są akreowane przez dysk we wczesnych stadiach formowania się gwiazd.
W przyszłości z tego dysku resztkowego otaczającego NIRISS-NGC1333-5 może wyłonić się miniaturowy układ planetarny podobny do naszego. Generalnie są to dyski występujące wokół gwiazd – niezależnie od ich wieku, które są zdominowane przez pył, zawierają mało materii gazowej - przykład dysku resztkowego w Układzie Słonecznych → pas Kuipera.
Kolejnym krokiem zespołu badającego gromadę otwartą NGC 1333 będzie zbadanie atmosfer tych swobodnych planet (albo jak niektórzy wolą - brązowych karłów o masach planetarnych) i porównanie ich z atmosferami brązowych karłów oraz planet – gazowych olbrzymów. Astronomowie planują również poszukanie podobnych obiektów z dyskami resztkowymi w innych obszarach gwiazdotwórczych niż NGC 1333, aby zbadać możliwości formowania się podobnych mini-układów planetarnych.
Z obserwacje Webba wynika, że 10% obiektów w mgławicy NGC 1333 to są swobodne planety (FFPMO). Jest liczba znacznie większa niż to wynika z rozkładu typowej funkcji masy początkowej dla gwiazd. Liczbę gwiazd w naszej Drodze Mlecznej zgrubnie ocenia się na ~100 – 400 miliardów gwiazd, a liczbę planet na ~800 – 3200 miliardów planet. Zaś 10% z tej liczby planet sugeruje, że w Galaktyce może być ~90 – 360 miliardów FFPMO.
![Na ilustracji: Widmo (górny panel) i dwa zdjęcia w barwach 1,50+2,00μm (dolny panel) najlżejszego kandydata na planetę (masa ~5 mas Jowisza) w gromadzie otwartej NGC 1333. Ten obiekt oznaczony w publikacji jako NIRISS-NGC1333-5 wykazuje nadwyżkę promieniowania w podczerwieni, którą tłumaczy się obecnością wokół niego dysku. W szczególności widać tę nadwyżkę w barwie opisanej długością fali ~2,2μm na powyższym widmie. W górnym panelu pokazano linią granatową widmo zaobserwowane przez NIRISS, a linia koloru łososiowego – dopasowanie do modelu o typie widmowym L4. Opracowano na podstawie arXiv:2408.12639 [astro-ph.EP]](/sites/default/files/inline-images/x12_A.png)
Na ilustracji: Widmo (górny panel) i dwa zdjęcia w barwach 1,50+2,00μm (dolny panel) najlżejszego kandydata na planetę (masa ~5 mas Jowisza) w gromadzie otwartej NGC 1333. Ten obiekt oznaczony w publikacji jako NIRISS-NGC1333-5 wykazuje nadwyżkę promieniowania w podczerwieni, którą tłumaczy się obecnością wokół niego dysku. W szczególności widać tę nadwyżkę w barwie opisanej długością fali ~2,2μm na powyższym widmie. W górnym panelu pokazano linią granatową widmo zaobserwowane przez NIRISS, a linia koloru łososiowego – dopasowanie do modelu o typie widmowym L4. Opracowano na podstawie arXiv:2408.12639 [astro-ph.EP]
Omawiane obserwacje (obrazy i widma) zostały przeprowadzone w ramach programu obserwacyjnego Webba nr 1202 pt. „Przegląd NIRISS młodych brązowych karłów i swobodnych planet”, którego celem jest zbadanie większej części NGC 1333. Dane te stanowią pierwszy głęboki przegląd spektroskopowy za pomocą instrumentu NIRISS tej młodej gromady i pozwoliły zidentyfikować brązowe karły aż do mas planetarnych. Pierwsze wyniki są dostępne w archiwum preprintów naukowych arxiv i zostały zaakceptowane do publikacji w czasopiśmie Astronomical Journal.
Opracowanie: Ryszard Biernikowicz
Więcej informacji:
• (publikacja naukowa arxiv – docelowo The Astronomical Journal) → The JWST/NIRISS Deep Spectroscopic Survey for Young Brown Dwarfs and Free-Floating Planets
• Peeking into Perseus
• James Webb Telescope Illuminates Mysteries of the Perseus Molecular Cloud
• portal Urania → Teleskop Webba znajduje więcej wskazówek dotyczących narodzin gwiazd na sześciu nowych światach
Źródło: ESA, NASA, CSA
Na ilustracji: Prześliczny wir gazowo-pyłowy w gromadzie otwartej NGC 1333 sfotografowany w podczerwieni przez teleskop Webba – miejsce narodzin gwiazd, brązowych karłów i planet. Pole widzenie tego obrazu obejmuje kilka minut łuku (4,46’ x 3,65’), a kierunek północny - ~19° od linii pionowej na lewo u góry. Mniej więcej w centrum tego zdjęcia widać ciekawy obiekt Herbiga-Haro HH 12 (HH powstają, gdy materia wyrzucona z rodzącej się gwiazdy w postaci dżetu zderza się z otaczającym ją obłokiem gazowo-pyłowym). Źródło: ESA/Webb, NASA & CSA, A. Scholz, K. Muzic, A. Langeveld, R. Jayawardhana
