W każdej sekundzie w widzialnym Wszechświecie rodzi się ponad 3000 gwiazd. Wiele z nich otoczonych jest dyskiem protoplanetarnym. Dokładne procesy, które dają początek gwiazdom i układom planetarnym, są jednak wciąż słabo poznane.
Zespół kierowany przez naukowców z Uniwersytetu Arizony wykorzystał Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, aby uzyskać jedne z najbardziej szczegółowych informacji na temat sił kształtujących dyski protoplanetarne. Obserwacje te dają wgląd w to, jak nasz Układ Słoneczny mógł wyglądać 4,6 miliarda lat temu.
W szczególności zespół był w stanie prześledzić tak zwane wiatry dyskowe z niespotykaną dotąd szczegółowością. Wiatry te to strumienie gazu wydmuchiwane z dysku formującego planety w przestrzeń kosmiczną. Wiatry te, napędzane głównie przez pola magnetyczne, mogą pokonywać dziesiątki kilometrów w ciągu zaledwie jednej 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 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 sposób, w jaki później tworzą się planety – powiedziała Pascucci. Konkretne sposoby, w jakie to się dzieje, nie zostały zrozumiane, 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 się dzieje. W ostatnich latach pojawiły się wiatry dyskowe jako ważni gracze, którzy 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 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 odległość między Ziemią a Słońcem.
Nasze obserwacje zdecydowanie sugerują, że uzyskaliśmy pierwsze obrazy wiatrów, które mogą usunąć moment pędu i rozwiązać długotrwały problem formowania się gwiazd i układów planetarnych – powiedziała Pascucci.
Do swoich 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 Lunar and Planetary Laboratory, 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. Ważnym nowym odkryciem, według naukowców, było konsekwentne wykrywanie wyraźnej centralnej dziury wewnątrz stożków, utworzonej przez wiatry molekularne w każdym z czterech dysków.
Następnie 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 Webba, a następnie sprawdzić, czy możemy wykryć zmiany w tych wiatrach w miarę powstawania gwiazd i formowania się planet.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
Uniwersytet Arizony
