Webb atradimai: dujų netekimas formuoja planetas ilgainiui

Įsivaizduokite ką tik susiformavusią žvaigždę, kuri išskiria planetų formavimui reikalingas medžiagas, o paskui stebite, kaip jos dingsta. Kai kurios netektys būna staigios ir smurtinės. Kitos vyksta palaipsniui. Bet kuriuo atveju laikrodis tiksi.

Jaunos žvaigždės, apsuptos protoplanetinio dujų ir dulkių disko, vaizdinys. Iš centro sklindančios vėjos vaizduoja dujų energingą išmetimą iš jaunos planetinės sistemos.

Naujų James Webb kosminio teleskopo stebėjimų rezultatai atskleidžia daug dinamiškesnį vaizdą apie tai, kaip planetų formavimui svarbūs diskai netenka dujų, nei mokslininkai tikėjosi. Vietoje vieno lėto proceso, pamažu mažinančio atmosferą formuojantį rezervuarą, Webb rodo keičiančiųsi jėgų seką: magnetiniai srautai jauniausiose sistemose nusileidžia radiacijos varymams diskams senstant. Tai sudaro sudėtingą, laike kintantį ribojantį mechanizmą dujinių milžinų, tokių kaip Jupiteris ir Saturnas, susidarymui.

Kaip Webb žemėlapiuoja kintančius vėjus

Tyrimą, kuriam vadovavo Naman Bajaj iš Arizonos universiteto kartu su bendraautorė Uma Gorti iš SETI instituto, atliko 72 jaunų, saulės tipo žvaigždžių imtį, naudodami Webb archyvinius duomenis iš vidutinės infraraudonųjų spindulių priemonės, MIRI. Tai viena didžiausių iki šiol JWST apžvalgų, skirtų planetų formavimuisi. Kartu imtis sudaro evoliucijos stadijų seką, leidžiančią tyrėjams atsekti, kaip keičiasi dujų netekimo mechanizmai disko brandos metu.

Webb jautrumas šiltam molekuliniam vandeniliui ir jonizuotam neonui pasirodė lemiamas. Molekulinis vandenilis, H2, yra gausiausia molekulė protoplanetiniuose diskuose, tačiau jį stebėti itin sunku. Jonizuotas neonas žymi karštesnius, energingesnius srautus ir gūsis. Atskirę plačius molekulinio vandenilio vėjus nuo neonu žyminčių srovių, komanda galėjo nustatyti, kurie fizikiniai varikliai dominuoja skirtingais amžiais.

Dvi aiškios požymės

• Molekulinio vandenilio emisija, kuri atrodo plati ir išsišakojusi, žyminti lėtus, masės užkrautus vėjus.
• Greiti jonizuoto neono gūsiai, kurie atspindi siaurus, didelio greičio išsiveržimus, dažnai susijusius su magnetiškai varomais procesais.

Iš 72 diskų 66 parodė išsiplėtusią molekulinio vandenilio arba jonizuoto neono emisiją. Kūgio formos molekulinio vandenilio vėjai pasirodė 46 sistemose, o 40 sistemų turėjo neono gūsius. Svarbu, kad kiekvienas diskas su neono gūsiais taip pat rodė molekulinio ar atominio vėjo požymių, kas rodo, jog keli mechanizmai gali veikti vienu metu.

Nuo magnetinių kvėpavimų iki saulės kaitros

Jauniausiose sistemose, kur medžiaga vis dar sruvena ant centrinės žvaigždės, dominuoja magnetiniai laukai. Magnetinės linijos, perskverbiančios diską, veikia kaip kanalai. Dujos juda palei tas linijas į išorę. Masė išsilaisvina. Kampinis momentas pasišalina. Stebimi požymiai yra stiprūs gūsiai ir platūs molekuliniai išsiveržimai, kuriuose yra tiek molekulinių, tiek atominių dujų.

Žvaigždės ir disko sistema sensta, akrecija mažėja. Gūsiai silpsta. Šis pokytis atveria kelią aukštos energijos fotonams prasiskverbti giliau į diską. Ultravioletinė ir rentgeno spinduliuotė iš žvaigždės įkaitina paviršiaus sluoksnius, kol dujos pasiekia pabėgimo greitį. Šis procesas, žinomas kaip fotoevaporacija, vis labiau formuoja disko išsisklaidymą vyresnėse sistemose. Webb tiesioginis molekulinio vandenilio aptikimas patvirtina prognozes, pateiktas dar prieš šių bangų ilgumų stebėjimus padarius įprastais.

Gorti, kuri dešimtmečius tyrinėja fotoevaporacinius vėjus, apibendrino ryšį tarp teorijos ir stebėjimų: "Šie Webb matavimai sujungia ilgalaikes modelių prognozes su tikromis sistemomis. Dabar galime matyti, kaip ultravioletinės ir rentgeno spinduliuotės varomi srautai perima vaidmenį, kai magnetinė veikla silpsta."

Kodėl dujų netekimas lemia planetų likimą

Dujos nėra tik foninė medžiaga. Tai kuras, leidžiantis jaunam protoplanetiniam branduoliui ištęstis į dujinį milžiną. Jei šis kuras dingsta per greitai, branduoliai, galėję tapti Jupiteriais, gali likti mažesniais, Neptūno tipo ar net uoliniais planetomis. Todėl kintanti pusiausvyra tarp magnetiškai varomų vėjų ir fotoevaporacijos apibrėžia laiko langą didžiųjų planetų surinkimui.

"Planetų formavimas yra lenktynės su laiku," sakė Bajaj. "Dujiniai milžinai turi suformuoti savo atmosferas, kol diskas išlieka reikšmingas. Kai vėjai ir gūsiai nuneša tas medžiagas, progai dingus, daugiau galimybių nebėra."

Webb apžvalga rodo, kad išsisklaidymas nėra vienintelė galutinė data, o etapinis pašalinimas. Ankstyvos, magnetiškai dominuojamos epochos gali greitai išmesti medžiagą iš vidinių ir tarpinio disko regionų. Vėliau radiacijos varoma erozija nugraužia paviršiaus sluoksnius per didesnius atstumus. Kurie regionai praranda dujas greičiausiai, nulems, kur ir kada gali formuotis skirtingi planetų tipai.

Ekspertų įžvalgos

Dr. Elena Martín, observacinė astrofizikė, nedalyvavusi straipsnyje, komentavo: "Šie rezultatai yra svarbūs, nes jie suteikia stebėjimų taškus modeliams, kurie anksčiau rėmėsi netiesioginiais žymenimis. Webb gebėjimas aptikti šiltą H2 daugelyje sistemų leidžia kiekybiškai nustatyti masės netekimo režimus ir jų laiką. Tai padeda atsakyti, kur gali susiformuoti dujiniai milžinai ir kaip tai gali paveikti migracijos modelius."

Jos pastebėjimas pabrėžia platesnį tikslą: paversti Webb aptikimus masės netekimo rodikliais ir erdvės žemėlapiais, vaizduojančiais besitraukiančias dujas. Žinojimas, kiek masės vėjai išneša ir iš kokių diskų radijų zonų, leis teorikams patikslinti skirtingų planetų formavimo laiko skales.

Ką toliau darys stebėtojai ir modeliuotojai

Tolimesni žingsniai apima molekulinių ir atominių vėjų susijusių masės netekimo greičių kiekinį nustatymą ir konkrečių disko regionų, maitinančių tuos išsiveržimus, identifikavimą. Webb vidurinės infraraudonosios spektroskopijos derinimas su papildomais duomenimis kitose bangų ilgiuose, tokiais kaip radijo interferometrija, žemėlapio dulkinių struktūrų atvaizdavimui, bei ultravioletinės ir rentgeno stebėjimų, apibūdinančių žvaigždžių spinduliuotę, suteiks pilnesnį, daugiabangį disko išsisklaidymo vaizdą.

Rezultatai taip pat turi įtakos egzoplanetų demografijai. Diskų gyvenimo trukmė ir išsisklaidymo mechanizmų laikas tiesiogiai patenka į populiacijų sintezės modelius, prognozuojančius dujinių, ledinių ir žemės tipo planetų dažnumą. Jei diskai praranda dujas anksčiau, nei manyta, modeliai turės peržiūrėti labiausiai tikėtinus kelius, vedančius prie stebimos egzoplanetų įvairovės.

Išvados

Webb atvėrė naują skyrių mūsų supratime apie planetų formavimą, atskleisdamas laike kintančią dujų netekimo procesų choreografiją. Jaunos sistemos prasideda magnetiškai varomais gūsiais ir plačiais molekuliniais vėjais. Vėliau dėmesio centre atsiduria radiacijos varoma fotoevaporacija. Ši evoliucija sutrumpina arba pratęsia langą dujinių milžinų susidarymui, formuodama planetinių sistemų architektūrą gerokai prieš planetoms nusistovint stabiliose orbitose.

Kol astronomai šiuos spektroskopinius momentinius vaizdus pavers masės biudžetais ir erdviniais žemėlapiais, mes gausime aiškesnį supratimą, kur ir kada gali susiformuoti skirtingos planetos. Lenktynės su laiku dabar detaliai sužemėlapiuotos, ir Webb yra laikrodis.