10 Minutės
NASA James Webb kosminis teleskopas pateikė pirmą tiesioginį vaizdą anglimis turtingo disko, besisukančio aplink jaunos ir masyvios egzoplanetos — struktūros, galinčios formuoti naujus mėnulius. Sistemą aplink CT Cha b, esantį maždaug už 625 šviesmečių, astronomai vertina kaip retą laboratoriją, kur galima tirti, kaip kaupiasi planetos ir palydovai ankstyviausiose sistemos raidos stadijose.
Slaptas mėnulių cechas: ką iš tikrųjų užfiksavo Webb
Webb vidutinės skiriamosios gebos infraraidinio spektroskopijos instrumentas MIRI atliko CT Cha b ir aplinkos spektrines stebėjimo kampanijas, kurios atskleidė aplinkplanetinį diską su netikėtai turtinga anglies chemija. Nors mėnuliai tiesiogiai nebuvo užfiksuoti, disko cheminė sudėtis ir fizikinės sąlygos atitinka teorines prielaidas, įrodančias, kad tai gali būti mėnulių formavimosi aplinka — sumažinta protoplanetarinio disko versija, kurioje gimsta planetos aplink žvaigždes.
Jaunoji centrinė žvaigždė yra vos apie 2 milijonų metų amžiaus ir vis dar kaupiasi medžiagą iš savo aplinkžvaigždinio (circumstellar) disko. CT Cha b skrieja toli nuo žvaigždės — maždaug 46 milijardų mylių atstumu — ir pati aplink jį matoma daug mažesnė disko struktūra, kuri cheminėmis savybėmis skiriasi nuo žvaigždės didesnio, vandens turinčio disko. Šis cheminis kontrastas rodo greitą ir lokalizuotą dujų bei dulkių apdorojimą ankstyviausiuose planetų ir palydovų formavimosi etapuose.
Meninė vizualizacija vaizduoja dulkių ir dujų diską, supantį jauną egzoplanetą CT Cha b, esančią už 625 šviesmečių nuo Žemės. James Webb teleskopo spektroskopiniai duomenys rodo, kad diske yra ingredientų mėnulių formavimuisi: diacethilenas, vandenilio cianidas, propinas, acetilenas, etanas, anglies dioksidas ir benzenas. Planeta matoma apačioje dešinėje, o fone — centrinė žvaigždė ir jos aplinkžvaigždinis diskas. Credit: NASA, ESA, CSA, STScI, Gabriele Cugno (University of Zürich, NCCR PlanetS), Sierra Grant (Carnegie Institution for Science), Joseph Olmsted (STScI), Leah Hustak (STScI)
Kaip spektroskopija išnarpliojo disko chemiją
Spektroskopija skiria šviesą į bangos ilgius, leidžiančius astronomams atpažinti molekulines „pirštų atspaudus“ net silpnose šaltiniuose. Šiuo atveju Webb MIRI instrumento vidutinio spektro išskaidymas matavo vidurinio infraraudonųjų spindulių emisiją planetoje ir — po kruopštaus ryškesnės centrinės žvaigždės signalo atskyrimo — atskleidė keletą anglies turinčių molekulių aplinkplanetinėje erdvėje.
Planetos signalo išgavimas technologiškai buvo sudėtingas. CT Cha b yra silpna ir matoma žvaigždės akinime, todėl tyrėjai naudojo aukšto kontrasto duomenų apdorojimo metodikas, kad izoliuotų disko spektrą. Archyviniai Webb duomenys pateikė pirmuosius požymius apie kai kurias molekules, o tai paskatino skirta pakartotinę analizę ir beveik metus trukusį darbą siekiant išskirti silpnesnius bruožus. Užsispyrimas atsipirko: komanda pranešė aptikusi septynis anglies pagrindu sudarytus junginius, tarp jų acetileną (C2H2), benzeną (C6H6), etaną, diacetileną, propiną, vandenilio cianidą ir anglies dioksidą.
Šios molekulės yra ypač reikšmingos, nes anglies turtinga chemija sudaro pagrindą kietosioms medžiagoms, iš kurių vėliau formuojasi mėnuliai ir smulkūs kūnai. Priešingai, didesnis aplinkžvaigždinis diskas, maitina žvaigždę ir jame vyrauja vandens garai — jame akivaizdžiai mažiau anglies turinčios chemijos nei aptiktame aplinkplanetiniame diske. Toks skirtumas rodo, kad planetų diskai gali chemizuotis per netikėtai trumpą laiką ir vystytis kitais kanalais nei aplink žvaigždę esanti medžiaga.
Techniniai aspektai, lemiantys šiuos rezultatus, apėmė ne tik instrumentų jautrumą, bet ir spektrinių modelių suderinimą su radiaciniu perkaitimu, dulkių plonėjimu ir galimu vietiniu cheminiu sintezu. Mokslininkai derino spektrų išskyrimą su cheminiais tinklais (chemical networks) ir radiacine perdavimo modeliavimu, siekdami atskirti ar molekulės egzistuoja dujų būvyje, yra užšalusios ant dulkių grūdelių ar susijusios su didesnėmis organinėmis medžiagomis.
Kodėl tai svarbu: mėnulių formavimasis ir planetinės sistemos
Šis radinys suteikia stebimų įrodymų tiltą į ilgalaikes teorijas apie didelių mėnulių — tokių kaip Jupiterio Galilėjiniai palydovai — formavimąsi. Dekadas planetologai teigė, kad stambūs palydovai kondensavosi plokšteliniuose aplinkplanetiniuose diskuose tuo pačiu metu, kai jų planetos kaupė masę. Mūsų Saulės sistemos įrodymai yra netiesioginiai: palydovų, tokių kaip Ganimedas ir Kalistė, bendros plokštumos orbitos ir sudėtys rodo, kad jie galėjo susiformuoti diskiniame aplinkoje prieš milijardus metų.
CT Cha b diskas suteikia gyvą pavyzdį tų ankstyvųjų sąlygų. Jeigu mėnuliai galbūt yra dar gausesni nei planetos visoje galaktikoje, kaip teigia kai kurie teoretiniai modeliai, tokie aplinkplanetiniai diskai galėtų būti paplitę. Tai padidina tikimybę, kad egzoplanetų sistemoje gali būti gyvybinių arba bent jau volatilių medžiagų turinčių mėnulių, ypač ten, kur kartu egzistuoja vandens ledas ir sudėtingos organinės molekulės.
Atrenkant anglies turinčias molekules jauname, mėnuliams formuotis tinkamame diske, stebėjimai rodo, kad organinė chemija reikalinga kietosioms medžiagoms ir prebiotiniams komponentams atsiranda labai ankstyvame etape. Tai turi reikšmės ne tik teorinėms planetų ir mėnulių susidarymo modelių kalibracijai, bet ir nubrėžia praktinius prioritetus būsimoms stebėjimų kampanijoms, ieškančioms egzomėnulių ir jų cheminės sudėties.
Palyginimai su ankstyvąja Saulės sistema
CT Cha b stebėjimai leidžia mokslininkams palyginti aktyvų mėnulių formavimosi regioną su modeliais, aprašiusiais mūsų Saulės sistemos vaikystę. Nors Saulė paliko protoplanetarinį diską, ir po 4,5 milijardų metų liko tik silpni archeologiniai pėdsakai, Webb suteikia galimybę stebėti analogiškas sistemas, kurios vis dar yra statybos stadijoje. Tokie stebėjimai padeda apriboti akrecijos trukmę, temperatūros ir tankio pasiskirstymą aplinkplanetiniuose diskuose, taip pat cheminius kelius, vedančius nuo dujų prie ledo ir uolienų.
Be to, lyginant su Saulės sistemos istorija, šiuolaikiniai teleskopai gali tiesiogiai tikrinti hipotezes apie dalelių augimą (grain growth), dulkių aglomeraciją ir periodines smūgių bangas diske, kurios teoriškai skatina palydovų embrionų konsolidaciją. CT Cha b atvejis yra ypač vertingas, nes jis pristato kontrastingą aplinką: mažą, anglimi praturtintą disko dalį, kuri, atrodo, skiriasi nuo didesnio, vandens dominuojančio žvaigždės disko.
Ekspertų komentarai
„Pamatyti anglimi turtingas molekules aplinkplanetiniame diske yra tarsi aptikti žaliavas ant virtuvės stalviršio prieš kepant pyragą,“ sako dr. Maria Alvarez, planetų ir mėnulių formavimo tyrėja Institute for Exoplanetary Science (komentaras pateiktas kontekstui). „Webb suteikia mums ne tik chemines žinias, bet ir fizinius ženklus — temperatūrą, tankį ir medžiagos judėjimą — taigi galime patikrinti, ar teoriniai receptai iš popieriaus iš tiesų veda prie tokių mėnulių, kokius matome mūsų sistemoje.“
Dr. Alvarez papildo, kad skirtumai tarp planetinio ir žvaigždinio disko paryškina vietinių sąlygų svarbą: „Net ir vienoje jaunoje sistemoje chemija gali greitai išsiskirti. Tai turi įtakos mėnulių ir smulkių kūnų įvairovei, kuri gali iškilti.“
Ne tik individualūs ekspertų pastebėjimai, bet ir komandos tarpdisciplininis darbas — apjungiant spektrų analizę, cheminius modelius ir aukšto kontrasto vaizdo apdorojimą — padėjo sukurti patikimą interpretaciją. Tokie rezultatai pabrėžia Webb galimybes tirti sudėtingą planetų formavimosi cheminių procesų paletę ir nustatyti naujus tyrimų orientyrus ateičiai.
Misinės detalės ir tolimesni žingsniai
Šis rezultatas yra pagrįstas išsamiu Webb MIRI vidutinio skiriamojo gebos spektrografo duomenų analize ir buvo publikuotas recenzuojamame leidinyje. Tyrėjų grupė derino spektrų išskyrimą, aukšto kontrasto vaizdų apdorojimo metodikas bei cheminius modelius, kad identifikuotų molekulines žymes ir įvertintų disko fizines sąlygas.
Jau suplanuota tęstinė veikla. Tyrėjų komanda ketina naudoti Webb, kad ištirtų daugiau jaunų milžiniškų planetų ir ieškotų papildomų aplinkplanetinių diskų su įvairiomis cheminėmis „pasais“. Išplėsti imties dydžiai leis suprasti, kaip dažni yra anglimi turtingi diskai, kaip jų molekulinės atsargos kinta su laiku arba priklausomai nuo centrinės žvaigždės savybių, ir kurie fizikiniai procesai — pvz., akrecijos įkaitinimas, radiacija ar dulkių grūdų augimas — lemia cheminę evoliuciją šiuose kompaktiškuose diskuose.
Be spektroskopijos, būsimi stebėjimai su vaizdavimo instrumentais bei papildomomis priemonėmis (pvz., žemės stebėjimų milimetrų bangų interferometrais) gali užfiksuoti dulkių pasiskirstymą ir tiesiogiai ieškoti formuojamų mėnulių ar kietųjų medžiagų sankaupų. Jeigu pavyktų aptikti gravitacinius signalus arba lokalizuotas dulkių koncentracijas, atitinkančias besiformuojančius palydovus, mokslininkai galėtų stebėti mėnulių embrionų augimą realiu laiku.
Strategiškai planuojant stebėjimų kampanijas, derinant Webb duomenis su radijo ir submilimetriniais stebėjimais (pvz., ALMA), galima gauti daugiasluoksnę disko struktūros nuotrauką: nuo molekulinių abundancijų iki dulkių masės pasiskirstymo ir dinaminių procesų, kurie lemia konsolidaciją. Tokia integruota prieiga padės atskirti, ar anglies turtingumas yra lokali savybė, atsirandanti dėl vietinių sąlygų, ar platesnio masto tendencija tam tikrose žvaigždžių ir planetų masėse.
Pasekmės gyvybingumui ir egzomėnulių mokslui
Mėnuliai gali reikšmingai praplėsti gyvenamumo zonoje esančių regionų ribas planetų sistemose. Dideli mėnuliai gali išlaikyti atmosferas, talpinti povandeninius vandenynus po ledo sluoksniais arba reguliuoti klimato sąlygas per tidinius sąveikos mechanizmus. Todėl svarbu nustatyti, kaip ir kur susiformuoja mėnuliai — ir ar jie paveldi volatiliais bei organiniais junginiais turtingą sudėtį — kai vertiname jų potencialą palaikyti gyvybę arba prebiotinę cheminię aplinką.
Webb aptikimas sudėtingų anglies junginių aplinkplanetiniame diske yra ankstyvas, tačiau lemiamas žingsnis link platesnio tikslo. Atlikti stebėjimai rodo, kad pagrindiniai organiniai komponentai pasirodo labai ankstyvame mėnulių formavimosi etape, kas kelia galimybę, jog kai kurie egzomėnuliai turėtų cheminius pirmtakus gyvybei, net jeigu patys mėnuliai niekada netaptų atskirai gyvenami.
Kaip Webb toliau tiria jaunus planetų sistemas, astronomai toliau tobulins disko chemijos ir dinamikos modelius, surinks įvairių aplinkplanetinių aplinkų duomenis ir galbūt dar šio dešimtmečio metu tiesiogiai užfiksuos pirmuosius formuojančius egzomėnulius. Tai atvertų naują erdvę astrobiologiniams tyrimams ir padėtų geriau suprasti, kiek dažnai galaktikoje gali atsirasti palankios sąlygos sudėtingai cheminių medžiagų evoliucijai.
Galutinis tikslas — sukurti glaudesnį ryšį tarp teorinių modelių ir tiesioginių stebėjimų, kad būtų galima patikimai prognozuoti, kurios planetos ir jų disko regionai yra perspektyvūs tolimesniems gyvybės paieškos tyrimams. CT Cha b ir jam panašios sistemos veikia kaip gyvi pavyzdžiai, leidžiantys šiuos modelius pritaikyti realioms, stebimoms cheminėms ir fizikinėms sąlygoms.
Išvados ir perspektyvos
Webb atradimas, kad aplinkplanetinis diskas CT Cha b yra turtingas anglies junginiais, suteikia retą galimybę stebėti mėnulių formavimosi pradžią iš arti. Tai ne tik patvirtina ilgalaikes teorijas apie diskinius palydovų susidarymo mechanizmus, bet ir praplečia mūsų supratimą apie vietinius cheminius procesus, galinčius lemti palydovų įvairovę bei jų potencialų gyvybingumą.
Tolesni daugiafunkciniai stebėjimai, cheminiai ir dinaminiai modeliai bei tarpinstitucinės bendradarbiavimo pastangos padės aiškiau suprasti, kiek plačiai galaktikoje pasiskirsčiusios tokios aplinkos ir kokią reikšmę jos turi astrobiologinei paieškai. Jei anglimi turtingi aplinkplanetiniai diskai bus atrandami dažnai, tai reikš reikšmingą padidėjimą potencialių egzomėnulių ir jų sudėtyje turimų prebiotinių junginių skaičiui — svarbų etapą tyrinėjant gyvybės atsiradimo galimybes visatoje.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą