Pierwsza szczegółowa rejestracja lodu w dyskach protoplanetarnych

Międzynarodowy zespół astronomów dokonał pierwszej dwuwymiarowej rejestracji lodu w dysku protoplanetarnym otaczającym młodą gwiazdę.

Złożony obraz wokół dysku protoplanetarnego HH 48 NE. Światło rozproszone na dysku jest czerwone. Gaz z wiatru nad dyskiem jest zielony. Strumień jest niebieski. Źródło: HST, JWST, Sturm i inni

Zespół wykorzystał w tym celu Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba a wyniki swoich badań opublikował 6 grudnia 2023 roku w czasopiśmie Astronomy & Astrophysics.

Lód odgrywa istotną rolę w formowaniu planet i komet. Dzięki niemu stałe cząstki pyłu zlepiają się w większe kawałki, z których powstają planety i komety. Dodatkowo, uderzenia komet niosących lód prawdopodobnie znacząco przyczyniły się do obecności wody na Ziemi, a co za tym idzie, do powstania mórz na naszej planecie. Lód ten zawiera również atomy węgla, tlenu i azotu, które są ważne w tworzeniu molekularnych elementów budulcowych życia. Niestety, lód w dyskach protoplanetarnych nigdy nie został dokładnie zmapowany z powodu trudności związanych z obserwacją za pomocą teleskopów naziemnych, które są utrudnione przez naszą atmosferę zawierającą wodę. Ponadto inne teleskopy kosmiczne nie były wystarczająco duże, aby wykrywać i rozpoznawać tak słabe cele. Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba stanowi rozwiązanie dla tych problemów.

Hamburger

Naukowcy przeanalizowali światło pochodzące od młodej gwiazdy HH 48 NE, przechodzące przez jej dysk protoplanetarny w kierunku teleskopu kosmicznego. Gwiazda i dysk znajdują się około 600 lat świetlnych od Ziemi w kierunku konstelacji Kameleona na południowej półkuli. Dysk wygląda jak hamburger, z ciemnym środkowym pasem i dwiema jasnymi bułeczkami, ponieważ patrzymy na niego z boku. W drodze do teleskopu, światło gwiazdy zderza się z wieloma cząsteczkami dysku, co tworzy widma absorpcyjne z pikami specyficznymi dla każdej cząsteczki. Niestety, niewiele światła dociera do teleskopu, zwłaszcza z najgęstszej części dysku w ciemnym pasie. Jednakże, ze względu na wyjątkową czułość JWST, niski poziom światła nie stanowi problemu.

Naukowcy zaobserwowali wyraźne piki lodu wodnego (H₂O), lodu dwutlenku węgla (CO₂) i lodu tlenku węgla (CO) w widmach absorpcyjnych. Ponadto znaleźli dowody na obecność lodu amoniaku (NH₃), cyjanianu (OCN)^-, siarczku karbonylu (OCS) i ciężkiego dwutlenku węgla (¹³CO₂). Stosunek zwykłego dwutlenku do ciężkiego dwutlenku węgla pozwolił naukowcom po raz pierwszy obliczyć, ile dwutlenku węgla znajduje się w dysku. Jednym z interesujących wyników było to, że wykryty przez naukowców lód CO może być zmieszany z mniej lotnym CO₂ i lodem wodnym, co pozwala mu pozostać zamrożonym bliżej gwiazdy niż wcześniej sądzono.

Ice Age

Bezpośrednie mapowanie lodu w dysku protoplanetarnym stanowi ważny wkład w badania modelowe, które pomagają lepiej zrozumieć formowanie się Ziemi, innych planet w naszym Układzie Słonecznym i wokół innych gwiazd. Dzięki tym obserwacjom możemy teraz zacząć formułować bardziej stanowcze stwierdzenia na temat fizyki i chemii formowania się gwiazd i planet – powiedział główny autor badania Adrjan Sturm (Uniwersytet w Lejdzie, Holandia).

W 2016 roku opracowaliśmy jeden z pierwszych programów badawczych dla JWST, Ice Age. Naszym celem było zbadanie, w jaki sposób lodowe składniki życia ewoluują podczas podróży od ich początków w chłodnych obłokach międzygwiazdowych do regionów tworzenia komet w młodych układach planetarnych. Teraz zaczynamy obserwować pierwsze wyniki. To naprawdę ekscytujący moment – powiedziała współautorka Melissa McClure z Uniwersytetu w Lejdzie, kierująca programem badawczym. Opublikowała ona w styczniu 2023 roku pierwsze obserwacje lodu z programu ICE Age w obłokach molekularnych.

Zespół Ice Age wkrótce przeprowadzi badania bardziej szczegółowych widm tego samego dysku protoplanetarnego. Dodatkowo, będą oni teraz w stanie obserwować inne dyski protoplanetarne. Jeśli odkrycie dotyczące mieszania lodu CO zostanie potwierdzone, może to zmienić obecne zrozumienie składu planet, potencjalnie prowadząc do odkrycia większej liczby planet bogatych w węgiel, znajdujących się bliżej gwiazdy. Ostatecznie, naukowcy mają nadzieję zdobyć więcej informacji na temat procesów formowania się planet, planetoid i komet oraz wynikającego z nich składu.

Opracowanie:

Agnieszka Nowak

Źródło:

• Uniwersytet w Lejdzie
• Urania