Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba rozwiązał zagadkę, udowadniając kontrowersyjne odkrycie dokonane za pomocą Kosmicznego Teleskopu Hubble'a ponad 20 lat temu. Nowe dane obalają obecne teorie dotyczące powstawania planet na wczesnym etapie istnienia Wszechświata.
W 2003 roku Hubble dostarczył dowodów na istnienie masywnej planety wokół bardzo starej gwiazdy, niemal tak starej jak Wszechświat. Takie gwiazdy posiadają jedynie niewielkie ilości cięższych pierwiastków, które są budulcem planet. Oznaczało to, że pewne formowanie się planet miało miejsce, gdy nasz Wszechświat był bardzo młody, a planety te miały czas, aby uformować się i urosnąć wewnątrz swoich pierwotnych dysków, do rozmiarów większych nawet od Jowisza. Ale jak? To było zagadką.
Aby odpowiedzieć na to pytanie, naukowcy wykorzystali Webba do zbadania gwiazd w pobliskiej galaktyce, która - podobnie jak wczesny Wszechświat - nie ma dużych ilości ciężkich pierwiastków. Odkryli, że nie tylko niektóre gwiazdy mają tam dyski tworzące planety, ale że te dyski żyją dłużej niż te widoczne wokół młodych gwiazd w naszej Galaktyce.
Dzięki Webbowi mamy naprawdę mocne potwierdzenie tego, co zaobserwowaliśmy za pomocą Hubble’a i musimy ponownie przemyśleć, w jaki sposób modelujemy powstawanie planet i wczesną ewolucję w młodym Wszechświecie – powiedział kierownik badania Guido De Marchi z Europejskiego Centrum Badań i Technologii Kosmicznej ESA w Noordwijk w Holandii.
Na wczesnym etapie istnienia Wszechświata gwiazdy składały się głównie z wodoru i helu oraz niewielkiej ilości cięższych pierwiastków, takich jak węgiel i żelazo, które powstały później na skutek wybuchów supernowych.
Obecne modele przewidują, że przy tak małej liczbie cięższych pierwiastków życie dysków wokół gwiazd jest krótkie, w rzeczywistości tak krótkie, że planety nie mogą urosnąć do dużych rozmiarów – powiedziała Elena Sabbi, współautorka badania z Obserwatorium Gemini w ośrodku NOIRLab Narodowej Fundacji Nauki w Tucson. Ale Hubble widział te planety, więc co, jeśli modele nie były prawidłowe i dyski mogłyby żyć dłużej?
Aby przetestować ten pomysł, naukowcy przeszkolili Webba na Małym Obłoku Magellana, galaktyce karłowatej będącej jedną z najbliższych sąsiadek Drogi Mlecznej. W szczególności zbadali masywną gromadę gwiazdotwórczą NGC 346, w której również występuje względny brak cięższych pierwiastków. Gromada służyła jako pobliski obiekt zastępczy do badania środowisk gwiazdowych o podobnych warunkach we wczesnym, odległym Wszechświecie.
Obserwacje NGC 346 wykonane przez Hubble'a w połowie lat 2000. ujawniły wiele gwiazd mających około 20–30 milionów lat, które zdawały się nadal posiadać wokół siebie dyski, w których powstają planety. Było to sprzeczne z powszechnym przekonaniem, że takie dyski rozproszą się po 2–3 milionach lat.
Odkrycia Hubble’a były kontrowersyjne, sprzeczne nie tylko z dowodami empirycznymi w naszej Galaktyce, ale także z obecnymi modelami – powiedział De Marchi. To było intrygujące, ale bez możliwości uzyskania widm tych gwiazd nie mogliśmy tak naprawdę ustalić, czy jesteśmy świadkami prawdziwej akrecji i obecności dysków, czy po prostu jakichś sztucznych efektów.
Teraz, dzięki czułości i rozdzielczości teleskopu Webba, naukowcy uzyskali pierwsze w historii widma formujących się gwiazd podobnych do Słońca i ich bezpośredniego otoczenia w pobliskiej galaktyce.
Wykres pokazuje na żółto widmo jednej z 10 gwiazd docelowych w badaniu (oraz towarzyszące światło z bezpośredniego otoczenia tła). Zaznaczono widmowe odciski gorącego atomowego helu, zimnego wodoru cząsteczkowego i gorącego wodoru atomowego. Na różowo oznaczone jest widmo lekko przesunięte od gwiazdy, które obejmuje tylko światło z otoczenia tła i nie ma linii widmowej zimnego wodoru cząsteczkowego. Po prawej stronie znajduje się porównanie obu linii, które pokazuje duży pik zimnego wodoru cząsteczkowego pochodzącego z gwiazdy, ale nie z jej mgławicowego otoczenia. Ponadto wodór atomowy pokazuje większy pik z gwiazdy. Wskazuje to na obecność dysku protoplanetarnego bezpośrednio otaczającego gwiazdę. Źródło: NASA, ESA, CSA, J. Olmsted (STScI)
Widzimy, że te gwiazdy są rzeczywiście otoczone dyskami i wciąż pochłaniają materiał, nawet w stosunkowo podeszłym wieku 20 lub 30 milionów lat — powiedział De Marchi. Oznacza to również, że planety mają więcej czasu na formowanie się i rozwój wokół tych gwiazd niż w pobliskich regionach formowania się gwiazd w naszej Galaktyce.
Nowy sposób myślenia
To odkrycie obala wcześniejsze teoretyczne przewidywania, że gdy w gazie wokół dysku jest bardzo mało cięższych pierwiastków, gwiazda bardzo szybko zdmuchnie dysk. Zatem życie dysku byłoby bardzo krótkie, krótsze nawet niż milion lat. Ale jeśli dysk nie pozostaje wokół gwiazdy wystarczająco długo, aby ziarna pyłu mogły się ze sobą skleić, a kamyki mogły się uformować i stać się jądrem planety, to w jaki sposób planety mogą powstawać?
Naukowcy wyjaśnili, że mogą istnieć dwa odrębne mechanizmy (lub nawet ich kombinacja), umożliwiające przetrwanie dysków protoplanetarnych w środowiskach ubogich w cięższe pierwiastki.
Po pierwsze, aby móc rozdmuchać dysk, gwiazda wywiera ciśnienie promieniowania. Aby to ciśnienie było skuteczne, w gazie musiałyby znajdować się pierwiastki cięższe od wodoru i helu. Jednak masywna gromada gwiazd NGC 346 ma tylko około 10 % cięższych pierwiastków, które są obecne w składzie chemicznym naszego Słońca. Być może po prostu gwiazda w tej gromadzie potrzebuje więcej czasu, aby rozproszyć swój dysk.
Druga możliwość jest taka, że aby gwiazda podobna do Słońca mogła powstać, gdy jest niewiele cięższych pierwiastków, musiałaby zacząć od większej chmury gazu. Większa chmura gazu wytworzy większy dysk. Będzie w nim więcej masy, a więc zajęłoby więcej czasu, aby go rozdmuchać, nawet gdyby ciśnienie promieniowania działało w ten sam sposób.
Przy większej ilości materii wokół gwiazd akrecja trwa dłużej – powiedziała Sabbi. Znikanie dysków trwa 10 razy dłużej. Ma to wpływ na sposób formowania się planety i typ architektury systemów, jakie można mieć w tych różnych środowiskach. To jest niezwykle ekscytujące.
Artykuł zespołu naukowego ukazał się w czasopiśmie The Astrophysical Journal z 16 grudnia 2024 r.
Więcej:
Opracowanie: Magda Maszewska. Źródło: ESA/Webb
Na ilustracji: Gromada NGC 346 w Małym Obłoku Magellana w obiektywie Hubble'a i Webba. Źródło: NASA, ESA, CSA, STScI, O. C. Jones (UK ATC), G. De Marchi (ESTEC), M. Meixner (USRA), A. Nota (ESA)
