Svemirski teleskop James Webb proučio je 72 mlada sustava slična Sunčevu i pokazao kako plin postupno napušta protoplanetarne diskove. Riječ je o materijalu koji plinovitim planetima omogućuje stvaranje debelih atmosfera.
Istraživanje, objavljeno u časopisu The Astronomical Journal, pokazuje da se procesi kojima plin napušta disk mijenjaju s dobi sustava. U najranijoj fazi prevladavaju snažni magnetski mlazovi i vjetrovi, dok kasnije važniju ulogu preuzimaju atomski tokovi i fotoevaporacija izazvana zračenjem zvijezde.
Disk iz kojeg nastaju planeti
Planeti nastaju u diskovima plina i prašine koji okružuju mlade zvijezde. U njima se nakuplja materijal od kojeg se grade jezgre planeta, dok je plin ključan za stvaranje debelih atmosfera kakve imaju Jupiter i Saturn. Kada se disk rasprši, mogućnost stvaranja plinovitih divova naglo se smanjuje.
Zato je važno znati koliko dugo diskovi ostaju bogati plinom. Ranija istraživanja protoplanetarnih diskova pokazala su kako se u prstenovima diskova mogu tražiti tragovi planeta koji se još skrivaju u materijalu. Nova se studija bavi procesima koji taj materijal odnose iz sustava.
Sedamdeset i dva sustava daju razvojni presjek
Istraživači predvođeni Namanom Bajajem sa Sveučilišta u Arizoni analizirali su arhivske podatke instrumenta MIRI na teleskopu James Webb. U uzorku su 72 mlade zvijezde slične Suncu i njihovi diskovi. Budući da su sustavi različite dobi, njihova usporedba daje presjek ranog razvoja, a ne izravno praćenje jednog sustava kroz vrijeme.
Tražili su dva glavna pokazatelja plina koji napušta disk: molekularni vodik i ionizirani neon. Emisija molekularnog vodika upućuje na široke vjetrove, dok ionizirani neon prati brže mlazove i atomske tokove. Webbova osjetljivost u infracrvenom području omogućila je istraživačima da te signale razluče u velikom broju sustava.
Proširena emisija molekularnog vodika ili ioniziranog neona zabilježena je u 66 od 72 diska. Konusni vjetrovi molekularnog vodika pronađeni su u 46 sustava, a brzi mlazovi ioniziranog neona u njih 40. Svi sustavi s neonovim mlazom pokazivali su i znakove vjetra vidljivog u emisijama molekularnog vodika ili kisika.
Kako se mijenjaju vjetrovi u disku
U najmlađim sustavima, u kojima materijal još snažno pristiže na zvijezdu, opaženi su snažni mlazovi i široki vjetrovi molekularnog i atomskog plina. Takvi su tokovi u skladu s modelima magnetski pokretanih vjetrova iz diska. Magnetska polja usmjeravaju plin iz diska i pritom odnose masu i kutni moment.
Kako sustav stari i dotok materijala slabi, slabe i mlazovi. Vjetrovi tada postaju pretežno atomski. Istodobno ultraljubičasto i rendgensko zračenje zvijezde lakše prodire kroz sve tanji disk, zagrijava plin i izbacuje ga u svemir. Taj se proces naziva fotoevaporacija.
Usporedba različito starih sustava upućuje na prijelaz iz faze snažnih magnetskih mlazova i vjetrova u fazu u kojoj važniju ulogu imaju atomski, uključujući fotoevaporativne, tokove.
Za nastanak plinovitih divova nema mnogo vremena
Taj slijed procesa određuje koliko vremena ostaje za nastanak planeta. U prvim milijunima godina Sunčev sustav bio je okružen gustim protoplanetarnim diskom koji je sadržavao približno stotinu puta više plina nego prašine. Većina tog plina s vremenom je nestala.
Ako se disk rasprši prije nego što jezgra planeta dovoljno naraste, plinoviti div nema dovoljno plina iz kojeg bi izgradio masivnu atmosferu. Zato Jupiter i Saturn nisu samo rezultat nakupljanja materijala, nego i utrke između rasta planeta i gubitka plina iz diska.
Webbova opažanja u skladu su s predviđanjima ranijih modela. Ilaria Pascucci i suradnici 2020. predvidjeli su da bi molekularni vjetrovi u mladim sustavima mogli biti dovoljno snažni da apsorbiraju rendgenske fotone. Nova analiza pokazuje da se takvi vjetrovi doista pojavljuju u najranijim fazama, nakon čega njihova uloga slabi i mijenja se.
Sljedeći korak: izmjeriti gubitak mase
Istraživanje iz 2024. pokazalo je da Webb može detaljno pratiti rasipanje diska oko mlade zvijezde T Cha. Nova studija taj pristup širi na desetke zvijezda i daje širu sliku promjena kroz ranu povijest planetarnih sustava. Primjer sustava u kojem su planeti već potvrđeni je PDS 70, čiji disk još sadrži dovoljno materijala za proučavanje nastanka planeta.
Sljedeći je korak izmjeriti koliko mase različiti vjetrovi odnose i iz kojih dijelova diska materijal najbrže nestaje. Ti bi podaci mogli pokazati gdje se najlakše stvaraju plinoviti divovi, a gdje disk ostaje dovoljno dugo samo za nastanak manjih, stjenovitih planeta. Takva mjerenja pomoći će odrediti koliko dugo mladi sustavi ostaju pogodni za izgradnju planeta.
