Teleskop Webba odkrył, że dyski protoplanetarne istniały dłużej we wczesnym Wszechświecie

Astronomowie za pomocą Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba rozwiązali zagadkę zaobserwowaną przez Hubble’a, potwierdzając, że dyski protoplanetarne istniały dłużej wokół gwiazd, gdy Wszechświat był bardzo młody.

.W 2003 roku Hubble dostarczył dowodów na istnienie masywnej planety wokół bardzo starej gwiazdy, prawie tak starej jak sam Wszechświat. Takie obiekty zawierały tylko niewielkie ilości cięższych pierwiastków, które są budulcem planet. Sugerowało to, że formowanie się planet miało miejsce, gdy nasz kosmos był bardzo młody, badacze zastanawiali się jak mogło być to możliwe.

Aby odpowiedzieć na to pytanie, naukowcy wykorzystali Teleskop Webba do zbadania gwiazd w pobliskiej galaktyce, która, podobnie jak wczesny Wszechświat, nie zawiera dużych ilości ciężkich pierwiastków. Naukowcy z ESA odkryli, że nie tylko niektóre gwiazdy mają tam dyski protoplanetarne, ale były one również bardziej żywe niż te obserwowane wokół młodych gwiazd w galaktyce Drogi Mlecznej. Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie The Astrophysical Journal.

„Dzięki Webbowi mamy naprawdę mocne potwierdzenie tego, co widzieliśmy za pomocą Hubble’a i musimy przemyśleć sposób, w jaki modelujemy powstawanie planet i ich wczesną ewolucję w młodym Wszechświecie” – mówi Guido De Marchi z ESA.

We wczesnym Wszechświecie gwiazdy były zbudowane głównie z wodoru i helu, a w bardzo niewielkim stopniu z cięższych pierwiastków, takich jak węgiel i żelazo, które pojawiły się później w wyniku eksplozji supernowych.

„Obecne modele przewidują, że przy tak niewielkiej ilości cięższych pierwiastków dyski wokół gwiazd miały krótki czas życia, tak krótki, że planety nie mogą się rozwijać. Ale Hubble widział te planety, więc co, jeśli modele nie były poprawne, a dyski mogły żyć dłużej?” – twierdzi Elena Sabbi z NOIRLab National Science Foundation.

.Aby przetestować ten pomysł, naukowcy skierowali Webba na Mały Obłok Magellana, galaktykę karłowatą, która jest jednym z najbliższych sąsiadów Drogi Mlecznej. W szczególności przyjrzeli się masywnej, gwiazdotwórczej gromadzie otwartej NGC 346, która również charakteryzuje się względnym brakiem cięższych pierwiastków. Struktura ta posłużyła jako pobliski obiekt zastępczy do badania środowisk gwiezdnych o podobnych warunkach we wczesnym, odległym Wszechświecie.

Obserwacje Hubble’a gromady NGC 346 początkowo ujawniły wiele gwiazd w wieku około 20-30 milionów lat, które wciąż posiadały wokół siebie dyski protoplanetarne. Było to sprzeczne z konwencjonalnym przekonaniem, że rozproszyłyby się one po 2 lub 3 milionach lat.

„Odkrycia Hubble’a były kontrowersyjne, zaprzeczając nie tylko empirycznym dowodom w naszej galaktyce, ale także obecnym modelom. To było intrygujące, ale bez możliwości uzyskania widm tych gwiazd, nie mogliśmy tak naprawdę określić, czy jesteśmy świadkami prawdziwej akrecji i obecności dysków, czy tylko sztucznych efektów” – podkreśla De Marchi.

Obecnie dzięki rozdzielczości Webba, astronomowie dysponują pierwszymi w historii widmami formujących się gwiazd podobnych do Słońca i ich bezpośredniego otoczenia w pobliskiej galaktyce.

„Widzimy, że gwiazdy te są rzeczywiście otoczone dyskami i nadal są w trakcie pożerania materiału – nawet w stosunkowo starym wieku 20 lub 30 milionów lat. Oznacza to również, że planety miały więcej czasu na uformowanie się i rozwój wokół tych gwiazd niż w pobliskich regionach gwiazdotwórczych w naszej galaktyce” – zaznacza De Marchi.

.Odkrycie to, zdaniem naukowców, obala wcześniejsze teoretyczne przewidywania, że gdy w gazie wokół dysku znajduje się bardzo niewiele cięższych pierwiastków, gwiazda bardzo szybko go zdmuchnie. Żywotność dysku byłaby zatem bardzo krótka, nawet poniżej miliona lat. Początkowo nie wiadomo było jak to możliwe, że pozostawał on wokół gwiazdy wystarczająco długo, aby ziarna pyłu skleiły się ze sobą, a kamyki uformowały się i stały się jądrem planety.

Naukowcy wyjaśnili, że mogą istnieć dwa różne mechanizmy, a nawet ich kombinacja, które sprawiłyby, że dyski protoplanetarne mogłyby przetrwać w środowiskach ubogich w cięższe pierwiastki.

Po pierwsze, aby móc zdmuchnąć dysk, gwiazda wywiera ciśnienie za pomocą promieniowania. Aby było ono skuteczne, gaz musiałby zawierać pierwiastki cięższe niż wodór i hel. Jednak masywna gromada gwiazd NGC 346 zawiera tylko około 10 proc. cięższych pierwiastków obecnych w składzie chemicznym Słońca. Być może przez to rozproszenie dysków gwiazd w tej gromadzie trwa po prostu dłużej.

Drugą możliwością jest to, że aby gwiazda podobna do Słońca mogła powstać, gdy nie ma w niej wielu cięższych pierwiastków, musiałaby zostać uformowana z większego obłoku gazu. A ten stworzyłby większy dysk. Przez co znajdowałoby się w nim więcej masy, więc rozpraszanie trwałby dłużej, nawet gdyby ciśnienie promieniowania działało w ten sam sposób.

.„Przy większej ilości materii wokół gwiazd akrecja trwałaby dłużej. Dyski znikałyby dziesięć razy wolniej. Miałoby to wpływ na to, jak formowałyby się planety i jaka architekturęa systemu planetarnego mogłaby powstać w tych różnych środowiskach” – podsumowuje powiedział Sabbi.

Oprac. EG