JWST odhalil vířivý původ vznikajících planetárních systémů

Umělecké ztvárnění disku, který obklopuje mladou hvězdu, ukazuje vířící „placku“ horkého plynu a prachu, z níž se formují planety. Pomocí vesmírného dalekohledu Jamese Webba (JWST) získal tým detailní snímky zobrazující vrstevnatou kuželovitou strukturu větrů disku – proudů plynu vyfukujících se do vesmíru. Astronomové odhalili nové podrobnosti o proudění plynu, které formuje disky rodící planety a utváří je v průběhu času, a nabídli tak pohled na to, jak pravděpodobně vznikla naše vlastní Sluneční soustava.

Pomocí vesmírného dalekohledu Jamese Webba pozorovali astronomové větry v protoplanetárních discích s dosud nevídanými detaily, které vrhají světlo na formování hvězd a planetárních systémů. Tato zjištění mohou představovat síly, které před miliardami let formovaly naši Sluneční soustavu, a upozorňují na klíčové procesy, jako je akrece a ztráta momentu hybnosti, které jsou rozhodující pro vývoj mladých hvězd a planet.

Vznik hvězd a planetárních systémů
Každou sekundu se ve viditelném vesmíru zrodí více než 3 000 hvězd. Mnoho z nich je obklopeno tzv. protoplanetárním diskem – vířící „plackou“ horkého plynu a prachu, která slouží jako místo zrodu planet. Přesné mechanismy, které pohánějí vznik hvězd a planetárních systémů, však stále zůstávají neobjasněné.

Tým astronomů pod vedením vědců z Arizonské univerzity využil vesmírný teleskop Jamese Webba k získání dosud nejpodrobnějších poznatků o silách, které formují tyto protoplanetární disky. Jejich pozorování umožňují nahlédnout do podoby Sluneční soustavy před 4,6 miliardami let.

Poznatky o dynamice protoplanetárních disků
Konkrétně se týmu podařilo vysledovat takzvané větry v disku v dosud nevídaných detailech. Tyto větry jsou proudy plynu vycházející z disku, v němž se formuje planeta, do vesmíru. Tyto větry, poháněné převážně magnetickými poli, mohou urazit desítky kilometrů za pouhou jednu sekundu. Výsledky výzkumu, publikované 4. října 2024 v časopise Nature Astronomy, pomáhají astronomům lépe pochopit, jak se formují a vyvíjejí mladé planetární systémy.

Podle Ilarie Pascucciové, hlavní autorky článku, profesorky z Lunární a planetární laboratoře University of Arizona, je jedním z nejdůležitějších procesů v protoplanetárním disku to, že hvězda pohlcuje hmotu z okolního disku, což se nazývá akrece.

„To, jak hvězda nabaluje hmotu, má velký vliv na to, jak se okolní disk v průběhu času vyvíjí, včetně způsobu, jakým později vznikají planety,“ řekla Pascucciová. „Konkrétní způsoby, jak k tomu dochází, nebyly dosud objasněny, ale domníváme se, že velmi důležitou roli by mohly hrát větry poháněné magnetickými poli na většině povrchu disku.“

Porozumění akreci a momentu hybnosti
Mladé hvězdy rostou tím, že přitahují plyn z disku, který kolem nich víří, ale aby se tak mohlo stát, musí se plyn nejprve zbavit části své setrvačnosti. Jinak by plyn neustále obíhal kolem hvězdy a nikdy by na ni nespadl. Astrofyzikové tento proces nazývají „ztrátou momentu hybnosti“, ale jak přesně k tomu dochází, se ukázalo být nepochopitelné.

Abychom lépe pochopili, jak funguje moment hybnosti v protoplanetárním disku, můžeme si představit krasobruslaře na ledě: Když ruce přitiskne k tělu, zrychlí se jeho rotace, zatímco když je natáhne, rotace se zpomalí. Protože se jeho hmotnost nemění, moment hybnosti zůstává stejný.

Aby mohlo dojít k akreci, musí plyn v disku ztratit moment hybnosti, ale astrofyzikové se nemohou shodnout na tom, jak přesně k tomu dojde. V posledních letech se ukázalo, že důležitými aktéry jsou větry v disku, které odvádějí část plynu z povrchu disku – a s ním i moment hybnosti – což umožňuje, aby se zbylý plyn pohyboval směrem dovnitř a nakonec spadl na hvězdu.

Pokročilá pozorování s JWST
Podle druhého autora článku, Tracyho Becka z NASA Space Telescope Science Institute, je důležité umět rozlišovat mezi jednotlivými jevy, protože v procesu formování protoplanetárních disků probíhají i další procesy. Zatímco materiál na vnitřním okraji disku je vytlačován magnetickým polem hvězdy v tzv. větru X, vnější části disku jsou erodovány intenzivním světlem hvězdy, což vede k tzv. tepelnému větru, který vane mnohem menší rychlostí.

„Abychom mohli rozlišit mezi větrem poháněným magnetickým polem, tepelným větrem a větrem X, potřebovali jsme vysokou citlivost a rozlišení JWST (vesmírného dalekohledu Jamese Webba),“ řekl Beck.

Na rozdíl od úzce zaměřeného X-větru vítr pozorovaný v této studii pochází z širší oblasti, která by zahrnovala vnitřní, kamenné planety naší Sluneční soustavy – zhruba mezi Zemí a Marsem. Tyto větry také sahají dále nad disk než termální větry a dosahují vzdálenosti stokrát větší, než je vzdálenost mezi Zemí a Sluncem.

„Naše pozorování jasně naznačují, že jsme získali první snímky větrů, které mohou odstranit moment hybnosti a vyřešit dlouholetý problém vzniku hvězd a planetárních systémů,“ řekla Pascucciová.

Budoucí směry výzkumu a důsledky
Pro svou studii si vědci vybrali čtyři systémy protoplanetárních disků, které se při pohledu ze Země jeví jako okrajové. „Jejich orientace umožnila, aby prach a plyn v disku působily jako maska a blokovaly část světla jasné centrální hvězdy, které by jinak zahltilo větry,“ řekl Naman Bajaj, postgraduální student z Lunar and Planetary Laboratory, který se na studii podílel.

Díky nastavení detektorů JWST na odlišné molekuly v určitých přechodových stavech byl tým schopen sledovat různé vrstvy větru. Pozorování odhalila složitou trojrozměrnou strukturu centrálního jetu (výtrysku), který se nachází uvnitř kuželovitého obalu větrů vznikajících ve stále větších vzdálenostech od disku, podobně jako vrstevnatá struktura cibule. Důležitým novým zjištěním bylo podle vědců důsledné odhalení výrazné centrální díry uvnitř kuželů, tvořené molekulárními větry v každém ze čtyř disků.

Tým Pascucciové dále doufá, že tato pozorování rozšíří na další protoplanetární disky, aby získal lepší představu o tom, jak běžné jsou pozorované struktury větru ve vesmíru a jak se vyvíjejí v čase. „Domníváme se, že by mohly být běžné, ale u čtyř objektů je to trochu obtížné říci,“ řekla Pascucciová. „Chceme získat větší vzorek pomocí Webbova teleskopu a pak také zjistit, zda můžeme detekovat změny v těchto větrech při vzniku hvězd a vzniku planet.“

Zdroj: https://scitechdaily.com/james-webb-uncovers-the-whirling-origins-of-planetary-systems/ a https://www.space.com/james-webb-space-telescope-dusty-pancakes-baby-stars

autor: František Martinek