James Webb otkrio raznolikost plinova bogatih ugljikom oko zvijezde male mase

Planeti se formiraju u diskovima plina i prašine koji orbitiraju oko mladih zvijezda. MIRI Mid-INfrared Disk Survey (MINDS), kojim upravlja Thomas Henning iz Max Planck Instituta za astronomiju (MPIA) u Heidelbergu, ima za cilj uspostaviti reprezentativni uzorak tih diskova. Korištenjem MIRI (Mid-Infrared Instrument) na svemirskom teleskopu James Webb (JWST), suradnja istražuje njihovu kemiju i fizička svojstva te povezuje te diskove s potencijalnim planetima koji se tamo formiraju.

U nedavnoj studiji, istraživački tim proučavao je okolinu zvijezde vrlo male mase od 0,11 sunčevih masa, poznate kao ISO-ChaI 147, a rezultati su objavljeni u časopisu Science.

Nemogućnost opažanja sa Zemlje

“Ova opažanja nisu moguća sa Zemlje jer relevantne plinske emisije apsorbira atmosfera,” objasnio je glavni autor Aditya Arabhavi sa Sveučilišta Groningen u Nizozemskoj. “Ranije smo mogli identificirati samo emisiju acetilena (C2H2) iz ovog objekta. Međutim, viša osjetljivost JWST-a i spektralna rezolucija njegovih instrumenata omogućili su nam otkrivanje slabih emisija manje zastupljenih molekula.”

MINDS suradnja otkrila je plin na temperaturama oko 300 Kelvin (oko 27 stupnjeva Celzija), bogat molekulama koje sadrže ugljik, ali bez kisikovih spojeva. “Ovo je bitno različito od sastava diskova oko zvijezda sličnih Suncu, gdje kisikove molekule poput vode i ugljičnog dioksida dominiraju,” dodala je članica tima Inga Kamp sa Sveučilišta Groningen.

Jedan upečatljiv primjer diska bogatog kisikom je onaj PDS 70, gdje je program MINDS nedavno pronašao velike količine vodene pare. Astronomi zaključuju da se diskovi oko zvijezda vrlo male mase razvijaju drugačije od onih oko masivnijih zvijezda, poput Sunca, što ima potencijalne implikacije za pronalaženje stjenovitih planeta sličnih Zemlji.

Utjecaj na formiranje planeta

Količina materijala i njegova raspodjela u tim diskovima ograničavaju broj i veličine planeta koje disk može opskrbiti potrebnim materijalom. Prema opažanjima, stjenoviti planeti veličine slične Zemlji formiraju se učinkovitije nego Jupiteru slični plinoviti divovi u diskovima oko zvijezda vrlo male mase, najčešćih zvijezda u svemiru. Kao rezultat toga, zvijezde vrlo male mase ugošćuju najveći broj zemaljskih planeta.

“Mnogi primarni atmosferski omotači tih planeta vjerojatno će biti dominirani ugljikovodicima, a ne toliko plinovima bogatim kisikom poput vode i ugljičnog dioksida,” istaknuo je Henning. “U ranijoj smo studiji pokazali da je prijenos ugljikom bogatog plina u zonu gdje se obično formiraju zemaljski planeti brži i učinkovitiji u tim diskovima nego u onima oko masivnijih zvijezda.”

Nejasni mehanizmi

Iako se čini jasnim da diskovi oko zvijezda vrlo male mase sadrže više ugljika nego kisika, mehanizam za ovu neravnotežu još uvijek je nepoznat. Sastav diska rezultat je ili obogaćivanja ugljikom ili smanjenja kisika. Ako je ugljik obogaćen, uzrok su vjerojatno čvrste čestice u disku, čiji ugljik isparava i otpušta se u plinoviti dio diska.

Zrnca prašine, lišena svog izvornog ugljika, na kraju formiraju stjenovita planetarna tijela. Ti planeti bi bili siromašni ugljikom, kao što je Zemlja. Ipak, kemija temeljena na ugljiku vjerojatno bi dominirala barem njihovim primarnim atmosferama koje pruža plin iz diska. Stoga, zvijezde vrlo male mase možda ne nude najbolje okruženje za pronalaženje planeta sličnih Zemlji.

Tehnike opažanja i buduća istraživanja

Za identifikaciju plinova u disku, tim je koristio spektrograf MIRI-a kako bi infracrveno zračenje iz diska razložio u signale malih valnih duljina – slično razlaganju sunčeve svjetlosti u dugu. Na taj način, tim je uspio izdvojiti razne molekularne signale. Kao rezultat toga, otkriveni disk pokazuje najbogatiju ugljikovodnu kemiju ikada zabilježenu u protoplanetarnom disku, s 13 različitih molekula koje sadrže ugljik, uključujući benzen (C6H6). Ovo uključuje prvu izvan-solarnu detekciju etana (C2H6), najvećeg potpuno zasićenog ugljikovodika otkrivenog izvan našeg Sunčevog sustava.

Tim je također uspješno otkrio etilen (C2H4), propin (C3H4) i metil radikal (CH3) prvi put u protoplanetarnom disku. S druge strane, podaci nisu pokazali prisutnost vode ili ugljičnog monoksida u disku. Znanstveni tim planira proširiti svoje istraživanje na veći uzorak takvih diskova oko zvijezda vrlo male mase kako bi bolje razumjeli koliko su uobičajene takve egzotične, ugljikom bogate regije za formiranje zemaljskih planeta. “Proširenje našeg istraživanja također će nam omogućiti bolje razumijevanje kako se ove molekule formiraju,” objasnio je Henning. “Još uvijek postoje neidentificirane značajke u podacima koje zahtijevaju dodatnu spektroskopiju za potpuno tumačenje naših opažanja.”