JWST ujawnia dyski protoplanetarne w pobliskiej gromadzie gwiazd

Mgławica Oriona jest ulubionym obiektem wśród obserwatorów gwiazd, z pewnością jednym z moich. Jest to gigantyczna mgławica gwiezdna, z której formują się gorące, młode gwiazdy. Z teleskopowego punktu widzenia jawi się ona jako szaro-zielona mgiełka, ale kamery ujawniają prawdziwą chwałę tych gwiazdotwórczych regionów. Słońce było kiedyś częścią takiego obiektu, a astronomowie od dziesięcioleci zgłębiają jego tajemnice. Teraz nowy artykuł przedstawia wyniki szczegółowego badania przeprowadzonego przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST), który badał dyski formujące planety wokół gwiazd w Mgławicy Homara.

Koncepcja, zgodnie z którą mgławica gwiezdna zapada się, tworząc gwiazdę, została po raz pierwszy zaproponowana na początku XX wieku przez angielskiego astronoma Jamesa Jeansa. Od tego czasu opracowaliśmy model opisujący nie tylko narodziny gwiazd, ale także ich ewolucję i późniejszą śmierć. Proces ten opisuje, w jaki sposób gorącym młodym gwiazdom często towarzyszą dyski materiału z mgławicy, a te proto-planetarne dyski mogą zapadać się, tworząc planety.

Aby zrozumieć wszystkie aspekty powstawania układów planetarnych, ważne jest, aby badać je w ich zróżnicowanych środowiskach, niestety układy te nie są zbyt powszechne i często są przesłonięte przez pył, co powoduje trudności obserwacyjne. Wiele młodych układów planetarnych powstaje w miejscach o wysokim poziomie promieniowania UV, zwłaszcza w regionach formowania masywnych gwiazd, takich jak 6357.

Atacama Large Millimeter Array dysku planetarnego wokół HL Tauri (Źródło: ALMA)

Doskonałym przykładem gwiezdnego żłobka jest Mgławica Homar, znana pod mniej chwytliwą nazwą NGC6357 (z Nowego Katalogu Ogólnego). Mgławica znajduje się w gwiazdozbiorze Skorpiona w odległości 6000 lat świetlnych – pamiętaj, że rok świetlny to miara odległości zdefiniowana przez odległość, jaką światło może pokonać w ciągu jednego roku. Łatwiej jest powiedzieć 6 000 lat świetlnych niż 57 000 000 000 000 000 km!

Zespół astronomów skierował JWST na NGC6357 w celu zbadania jej głębokiego wnętrza. W badanym obszarze znajduje się wiele masywnych gwiazd OB, w tym najmasywniejsze gwiazdy w Galaktyce. Zespół wybrał 15 dysków w trzech obszarach, mając nadzieję, że pomoże to zrozumieć wpływ środowiska na formowanie się planet. Zbadali dysk znany jako “XUE 1” i zbadali jego wewnętrzny dysk (w odległości 10 jednostek astronomicznych – 1 AU to średnia odległość między Słońcem a Księżycem). W swojej pracy donoszą o obfitości wody, tlenku węgla, cyjanowodoru i acetylenu w odległości do 1 jednostki astronomicznej – byłoby to niemożliwe bez JWST.

Odkrycia ujawniają, że woda i inne cząsteczki są obecne w wewnętrznych regionach dysku, gdzie mogą tworzyć się planety ziemskie. Jest to region, który jest prawdopodobnie jednym z najbardziej ekstremalnych środowisk w Galaktyce. Pokazuje to, że warunki do formowania się planet pozasłonecznych są równie prawdopodobne w regionach formowania się gwiazd o dużej masie, jak i o małej masie! Zespół zidentyfikował również, że wzrost ziaren pyłu rozpoczął się wraz z wykrytymi strukturami, które mogą ostatecznie prowadzić do powstania planet w układach o wieku 0,5 mir. Wygląda więc na to, że formowanie się planet może być już w toku lub nawet już nastąpiło pomimo ekstremalnego środowiska.

Webb wykrywa parę wodną w skalistej strefie planetotwórczej

Woda jest niezbędna do życia, jakie znamy. Jednak naukowcy debatują nad tym, w jaki sposób dotarła ona na Ziemię i czy te same procesy mogą zasiać skaliste egzoplanety krążące wokół odległych gwiazd. Nowe spostrzeżenia mogą pochodzić z układu planetarnego PDS 70, znajdującego się w odległości 370 lat świetlnych. Gwiazda ta posiada zarówno wewnętrzny, jak i zewnętrzny dysk gazu i pyłu, oddzielone luką o szerokości 8 miliardów kilometrów, a wewnątrz tej luki znajdują się dwie znane planety typu gazowy olbrzym.

Nowe pomiary wykonane przez należący do NASA James Webb Space Telescope’s MIRI (Mid-Infrared Instrument) wykryły parę wodną w wewnętrznym dysku systemu, w odległości mniejszej niż 100 milionów mil (160 milionów kilometrów) od gwiazdy – w regionie, w którym mogą formować się skaliste, ziemskie planety. (Ziemia krąży w odległości 93 milionów kilometrów od naszego Słońca). Jest to pierwsze wykrycie wody w ziemskim obszarze dysku, o którym już wiadomo, że zawiera dwie lub więcej protoplanet.

Widzieliśmy wodę w innych dyskach, ale nie tak blisko i w układzie, w którym obecnie gromadzą się planety. Nie mogliśmy dokonać tego typu pomiarów przed Webbem.powiedziała główna autorka Giulia Perotti z Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) w Heidelbergu w Niemczech.

To odkrycie jest niezwykle ekscytujące, ponieważ bada region, w którym zwykle tworzą się planety skaliste podobne do Ziemi.dodał dyrektor MPIA Thomas Henning, współautor artykułu. Henning jest głównym badaczem instrumentu MIRI (Mid-Infrared Instrument) Webba, który dokonał detekcji, a także głównym badaczem programu MINDS (MIRI Mid-Infrared Disk Survey), który zebrał dane.

Parne środowisko dla formujących się planet
PDS 70 to gwiazda typu K, chłodniejsza od naszego Słońca, której wiek szacuje się na 5,4 miliona lat. Jest to stosunkowo stary wiek, jeśli chodzi o gwiazdy z dyskami planetotwórczymi, co sprawiło, że odkrycie pary wodnej było zaskakujące.

Z biegiem czasu zawartość gazu i pyłu w dyskach planetotwórczych maleje. Promieniowanie i wiatry gwiazdy centralnej wydmuchują taki materiał lub pył rośnie w większe obiekty, które ostatecznie tworzą planety. Ponieważ w poprzednich badaniach nie udało się wykryć wody w centralnych obszarach podobnie starzejących się dysków, astronomowie podejrzewali, że może ona nie przetrwać ostrego promieniowania gwiazdy, prowadząc do suchego środowiska dla formowania się jakichkolwiek skalistych planet.

Astronomowie nie wykryli jeszcze żadnych planet formujących się w wewnętrznym dysku PDS 70. Dostrzegają jednak surowce do budowy skalistych światów w postaci krzemianów. Wykrycie pary wodnej sugeruje, że jeśli formują się tam planety skaliste, będą one miały dostęp do wody od samego początku.

Znaleźliśmy stosunkowo dużą ilość małych ziaren pyłu. W połączeniu z wykrytą przez nas parą wodną, wewnętrzny dysk jest bardzo ekscytującym miejscem.powiedział współautor Rens Waters z Radboud University w Holandii.

Jakie jest pochodzenie wody?
Odkrycie rodzi pytanie, skąd pochodzi woda. Zespół MINDS rozważył dwa różne scenariusze, aby wyjaśnić swoje odkrycie.

Jedną z możliwości jest to, że cząsteczki wody tworzą się w miejscu, w którym je wykrywamy, podczas łączenia się atomów wodoru i tlenu. Druga możliwość jest taka, że pokryte lodem cząsteczki pyłu są transportowane z chłodnego dysku zewnętrznego do gorącego dysku wewnętrznego, gdzie lód wodny sublimuje i zamienia się w parę. Taki system transportu byłby zaskakujący, ponieważ pył musiałby pokonać dużą lukę wyrzeźbioną przez dwie gigantyczne planety.

Innym pytaniem postawionym przez odkrycie jest to, w jaki sposób woda mogłaby przetrwać tak blisko gwiazdy, gdy światło ultrafioletowe gwiazdy powinno rozbijać wszelkie cząsteczki wody. Najprawdopodobniej otaczający materiał, taki jak pył i inne cząsteczki wody, służy jako tarcza ochronna. W rezultacie woda wykryta w wewnętrznym dysku PDS 70 mogła przetrwać zniszczenie.

Ostatecznie zespół użyje dwóch kolejnych instrumentów Webba, NIRCam (kamera bliskiej podczerwieni) i NIRSpec (spektrograf bliskiej podczerwieni) do zbadania systemu PDS 70 w celu uzyskania jeszcze lepszego zrozumienia.

Nowy obraz ujawnia tajemnice narodzin planet

Nowy, spektakularny obraz opublikowany dzisiaj przez Europejskie Obserwatorium Południowe (ESO) daje nam wskazówki, w jaki sposób mogły powstać planety o masach Jowisza. Dzięki Bardzo Dużemu Teleskopowi (VLT) oraz Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), naukowcy wykryli wielkie skupiska pyłu w pobliżu młodej gwiazdy, które mogą zapaść się, tworząc olbrzymie planety.

Niniejsze odkrycie jest prawdziwie urzekające, gdyż oznacza pierwsze wykrycie skupisk wokół młodej gwiazdy mających potencjał dania początku olbrzymim planetom.mówi Alice Zurlo, badaczka z Universidad Diego Portales, Chile, zaangażowana w obserwacje.

Praca opiera się na hipnotyzującym obrazie uzyskanym przy pomocy instrumentu Spectro-Polarimetric High-contrast Exoplanet REsearch (SPHERE) na należącym do ESO teleskopie VLT, który przedstawia fascynujące szczegóły materii wokół gwiazdy V960 Mon. Ta młoda gwiazda znajduje się ponad 5000 lat świetlnych od nas w kierunki gwiazdozbioru Jednorożca i przyciągnęła uwagę astronomów, gdy w 2014 roku nagle zwiększyła jasność ponad 20 razy. Obserwacje SPHERE przeprowadzone krótko po rozpoczęciu tego „rozbłysku” jasności ujawniły, że materia krążąca wokół V960 Mon gromadzi się w serii skomplikowanych ramion spiralnych rozciągających się na odległości większe niż cały Układ Słoneczny.

Odkrycie zmotywowało astronomów do analizy archiwalnych obserwacji tego systemu wykonanych przy pomocy sieci ALMA, w której ESO jest partnerem. Obserwacje VLT badają powierzchnię materii pyłowej wokół gwiazdy, natomiast ALMA może zajrzeć w strukturę tej materii.

Po lewej stronie w kolorze żółtym znajduje się zdjęcie młodej gwiazdy V960 Mon i otaczającego ją materiału pyłowego, wykonane za pomocą instrumentu Spectro-Polarimetric High-contrast Exoplanet REsearch (SPHERE) zainstalowanego na Bardzo Dużym Teleskopie ESO (VLT). Światło, które odbija się od zapylonej materii krążącej wokół gwiazdy, ulega polaryzacji – co oznacza, że oscyluje w ściśle określonym kierunku, a nie losowo – a następnie jest wykrywane przez SPHERE, ujawniając hipnotyzujące ramiona spiralne. Odkrycia te zmotywowały astronomów do przeanalizowania archiwalnych obserwacji tego samego układu wykonanych za pomocą Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), w którym ESO jest partnerem. Wyniki tej analizy można zobaczyć po prawej stronie w kolorze niebieskim. Długości fal światła, przy których ALMA prowadzi obserwacje, pozwalają na wniknięcie głębiej w orbitujący materiał, ujawniając, że ramiona spiralne ulegają fragmentacji i tworzą kępy o masach podobnych do mas planet. Kępy te mogą się kurczyć i zapadać w procesie znanym jako “niestabilność grawitacyjna”, tworząc gigantyczne planety.

Dzięki ALMA stało się jasne, że ramiona spiralne przechodzą fragmentację, w efekcie czego powstają skupiska o masach zbliżonych do mas planet.mówi Zurlo.

Astronomowie sądzą, że olbrzymie planety powstają albo w wyniku „akrecji na jądro”, gdy ziarna pyłu łączą się, albo na skutek „niestabilności grawitacyjnej”, gdy duże fragmenty materii wokół gwiazdy kurczą się i zapadają. O ile naukowcy znaleźli wcześniej dowód na pierwszy z tych scenariuszy, to poparcie dla drugiego było niewielkie.

Nikt wcześniej nie widział rzeczywistych obserwacji niestabilności grawitacyjnej następującej w skalach planetarnych – aż do tej porywskazuje Philipp Weber, naukowiec z University of Santiago (Chile), który kierował badaniami opublikowanymi dzisiaj w The Astrophysical Journal Letters.

Nasza grupa poszukiwała śladów formowania się planet przez ponad dziesięć lat i nie moglibyśmy być bardziej podekscytowani tym niesamowitym odkryciemmówi członek zespołu Sebastián Pérez z University of Santiago (Chile).

Instrumenty ESO pomogą astronomom odkryć więcej szczegółów tego fascynującego systemu planetarnego będącego w trakcie tworzenia, a Ekstremalnie Wielki Teleskop (ELT), odegra w tym kluczową rolę. ELT jest obecnie w trakcie budowy przez ESO na chilijskiej pustyni Atakama. Będzie w stanie obserwować system dokładniej niż kiedykolwiek wcześniej, zbierając kluczowe obserwacje na jego temat.

ELT umożliwi zbadanie chemicznej złożoności otoczenia tych skupisk, pomagając nam w lepszym poznaniu składu materii, z której tworzą się potencjalne planety.podsumowuje Weber.
info: ESO.org

W Obłoku Oorta mogą znajdować się planety

Nasz Układ Słoneczny ma chaotyczną przeszłość. Ziemia i inne planety znajdują się teraz na stabilnych orbitach, ale podczas formowania doświadczyły drastycznych zmian lokalizacji. Jowisz był prawdopodobnie znacznie bliżej Słońca niż obecnie, a jego przesunięcie nie tylko przesunęło inne planety, ale także oczyściło Układ Słoneczny z gruzu, rzucając większość z nich do Obłoku Oorta.

Obłok Oorta znajduje się na krawędzi grawitacyjnej Układu Słonecznego. Od czasu do czasu kawałek lodowej materii dostaje grawitacyjne bodźce w kierunku wewnętrznego Układu Słonecznego i staje się jedną z wielu komet, które widzimy. Podczas gdy większość szczątków Obłoku Oorta jest prawdopodobnie stosunkowo mała, możliwe jest, że się tam obiekty wielkości planety, nawet bardziej odległe niż hipotetyczna planeta X.

Część szczątków wyrzuconych z wewnętrznego Układu Słonecznego została prawdopodobnie wyrzucona jeszcze dalej. Przy takiej prędkości uniknęły grawitacji Słońca i dryfowały w przestrzeni międzygwiezdnej. Wiemy, że jest to możliwe, ponieważ mieliśmy co najmniej dwóch kometarnych gości z innych systemów gwiezdnych, Oumuamua w 2017 roku i Borisowa w 2019 roku. Zaobserwowaliśmy również planety zbójeckie, które zerwały więzy grawitacyjne swojej gwiazdy macierzystej. W skali kosmicznej w galaktyce jest mnóstwo niebiańskich sierot.

W jaki sposób Słońce mogło uchwycić świat o masie Saturna. Źródło: Raymond, et al

Ale to również rodzi interesujące pytanie. Jeśli młody układ planetarny może odrzucić komety i planety, czy inne systemy gwiezdne mogą uchwycić niektóre z tych światów? Jest to temat nowego artykułu opublikowanego w Monthly Notices of the Royal Astronomy Society.

Zespół przeprowadził serię symulacji komputerowych, analizując, w jaki sposób układy planetarne odrzucają duże planety i jak układ planetarny może je złapać. Taniec grawitacyjny jest nieco trudny, ponieważ aby zostać odrzuconym z planety, musi uzyskać wystarczającą energię kinetyczną, aby opuścić przyciąganie swojej gwiazdy. Ale oznacza to również, że ma tak dużo energii kinetycznej, że trudno jest innemu systemowi gwiezdnemu ją utrzymać. Podobnie jak w przypadku wizyt Oumuamua i Borisova, większość niebiańskich spotkań z nieuczciwą planetą byłaby ulotna.

Ale zespół odkrył, że grawitacyjne przyciąganie samej galaktyki może tłumić ruch zbójeckiej planety, a zatem niewielki ułamek spotkań na niebie zobaczy, że gwiazda złapie planetę i uzna ją za nowy świat. Największa szansa na to nie jest wtedy, gdy planeta przechodzi blisko gwiazdy, ale raczej wtedy, gdy dryfuje tuż wewnątrz swojego Obłoku Oorta. Większość planet przechwyconych przez gwiazdę znajdzie się na zewnętrznej krawędzi układu.

Na podstawie ich obliczeń do 10% pierwotnych planet gwiazdy może dryfować w głęboki kosmos. Biorąc pod uwagę dynamikę galaktyki i wczesnego Układu Słonecznego, istnieje około 7% szans, że nasz Układ Słoneczny ma przechwyconą lodową olbrzymię w Obłoku Oorta. Szanse te są wyższe niż szansa, że lodowy gigant utworzony w Układzie Słonecznym został wypchnięty do Obłoku Oorta, co stanowi około 1 szansy na 200.

Jeśli więc na skraju Układu Słonecznego znajduje się planeta, jest bardziej prawdopodobne, że będzie to adoptowane dziecko niż jedno z potomków Słońca. Nadal jest najbardziej prawdopodobne, że Obłok Oorta nie ma dużych światów, ale to badanie pokazuje, że układy planetarne nie zawsze powstają w izolacji i istnieje wiele systemów gwiezdnych, które prawdopodobnie są mieszanymi rodzinami.