Webbův teleskop odhalil tajemství protoplanetárních disků bohatých na uhlík

Program MIRI Mid-Infrared Disk Survey (MINDS) využívá přístroj MIRI (Mid-Infrared Instrument) vesmírného dalekohledu Jamese Webba ke studiu chemických a fyzikálních vlastností disků kolem mladých hvězd, aby astronomové porozuměli možnému vzniku planet. Vesmírný teleskop Jamese Webba objevil velké množství plynů bohatých na uhlík, které slouží jako přísady pro budoucí planety kolem hvězd s velmi nízkou hmotností, ale s nedostatkem sloučenin bohatých na kyslík, což naznačuje, že taková prostředí by mohla hostit chemicky odlišné kamenné planety.

Planety se tvoří v discích plynu a prachu, které obklopují mladé hvězdy. Stanovení reprezentativního vzorku disku je cílem průzkumu MIRI Mid-INfrared Disk Survey (MINDS), který vedl Thomas Henning z Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) v německém Heidelbergu.

Zkoumáním jejich chemických a fyzikálních vlastností pomocí MIRI na palubě vesmírného teleskopu Jamese Webba (JWST) tato spolupráce spojuje disky s vlastnostmi planet, které se tam potenciálně tvoří. V nové studii tým výzkumníků prozkoumal okolí hvězdy o velmi nízké hmotnosti asi 0,11 hmotnosti Slunce (známé jako ISO-ChaI 147), jejíž výsledky byly publikovány v odborném časopise Science.

Na připojeném obrázku je umělecká představa protoplanetárního disku kolem hvězdy o velmi nízké hmotnosti. Zobrazuje výběr molekul uhlovodíků (metan CH4; etan C2H6; etylen C2H2; diacetylen C4H2; propin C3H4; benzen C6H6) detekovaných v disku kolem hvězdy ISO-ChaI 147.

JWST a průzkum planetárních disků

„Tato pozorování nejsou ze Země možná, protože příslušné emise plynů jsou absorbovány její atmosférou,“ vysvětlil hlavní autor projektu Aditya Arabhavi z University of Groningen v Nizozemsku. „Dříve jsme mohli identifikovat pouze emise acetylenu (C2H2) z tohoto objektu. Vyšší citlivost JWST a spektrální rozlišení jeho přístrojů nám však umožnily detekovat slabé emise z méně hojných molekul.“

Spolupráce v rámci programu MINDS objevila plyn o teplotách kolem 300 Kelvinů (cca 30 stupňů Celsia), silně obohacený molekulami obsahujícími uhlík, ale postrádající druhy bohaté na kyslík. „To se zásadně liší od složení, které vidíme na discích kolem hvězd slunečního typu, kde dominují molekuly nesoucí kyslík, jako je voda a oxid uhličitý,“ dodala členka týmu Inga Kampová z University of Groningen.

Pozoruhodným příkladem disku bohatého na kyslík je disk kolem hvězdy PDS 70, kde program MINDS nedávno našel velké množství vodní páry. S ohledem na dřívější pozorování astronomové vyvozují, že disky kolem velmi málo hmotných hvězd se vyvíjejí jinak než disky kolem hmotnějších hvězd, jako je Slunce, s potenciálními důsledky pro nalezení kamenných planet s vlastnostmi podobnými Zemi. Vzhledem k tomu, že prostředí v takových discích určují podmínky, ve kterých se tvoří nové planety, každá taková planeta může být kamenná, ale v jiných aspektech se zcela nepodobá Zemi.

Důsledky pro pozemské planety

Množství materiálu a jeho distribuce v těchto discích omezuje počet a velikosti planet, kterým může disk dodat potřebný materiál. V důsledku toho pozorování naznačují, že kamenné planety s velikostí podobnou Zemi se tvoří efektivněji než plynní obři podobní Jupiteru v discích kolem velmi málo hmotných hvězd, nejběžnějších hvězd ve vesmíru. Výsledkem je, že hvězdy o velmi nízké hmotnosti hostí zdaleka většinu pozemských planet.

„V mnoha primárních atmosférách těchto planet budou pravděpodobně dominovat uhlovodíkové sloučeniny a ne plyny bohaté na kyslík, jako je voda a oxid uhličitý,“ zdůraznil Thomas Henning. „V dřívější studii jsme ukázali, že transport plynu bohatého na uhlík do zóny, kde se obvykle tvoří pozemské planety, probíhá rychleji a je v těchto discích účinnější než u hmotnějších hvězd.“

Ačkoliv se zdá jasné, že disky kolem hvězd s velmi nízkou hmotností obsahují více uhlíku než kyslíku, mechanismus této nerovnováhy je stále neznámý. Složení disku je výsledkem buď obohacení uhlíkem, nebo redukce kyslíku. Pokud je uhlík obohacen, jsou příčinou pravděpodobně pevné částice v disku, jejichž uhlík se odpařuje a uvolňuje do plynné složky disku. Z prachových zrn zbavených původního uhlíku se nakonec vytvoří kamenná planetární tělesa. Tyto planety by byly chudé na uhlík, stejně jako Země. Přesto by chemie na bázi uhlíku pravděpodobně dominovala alespoň jejich primárním atmosférám poskytovaným plynem z disku. Hvězdy s velmi nízkou hmotností proto nemusí nabízet nejlepší prostředí pro hledání planet podobných Zemi.

Chemická diverzita v protoplanetárních discích

K identifikaci plynů disku použil tým spektrograf MIRI k rozkladu infračerveného záření přijatého z disku na signatury kratších vlnových délek – podobně jako když se sluneční světlo rozděluje na duhu. Tímto způsobem tým izoloval velké množství jednotlivých signatur připisovaných různým molekulám.

Výsledkem je, že pozorovaný disk obsahuje nejbohatší uhlovodíkovou chemii, která byla dosud pozorována v protoplanetárním disku, sestávající z 13 molekul nesoucích uhlík až po benzen (C6H6). Zahrnují první extrasolární detekci etanu (C2H6), největšího plně nasyceného uhlovodíku detekovaného mimo Sluneční soustavu. Tým také poprvé v protoplanetárním disku úspěšně detekoval etylen (C2H4), propin (C3H4) a methylový radikál CH3. Naproti tomu data neobsahovala žádný náznak vody nebo oxidu uhelnatého v disku.

Budoucí směry ve výzkumu chemie disků

Dále má vědecký tým v úmyslu rozšířit svou studii na větší vzorek takových disků kolem hvězd s velmi nízkou hmotností, aby rozvinuli své chápání toho, jak běžné jsou takové exotické, na uhlík bohaté oblasti tvořící planety. „Rozšíření naší studie nám také umožní lépe pochopit, jak se tyto molekuly mohou tvořit,“ vysvětlil Thomas Henning. „Několik prvků v datech je také stále neidentifikováno, což vyžaduje další spektroskopii, která by plně interpretovala naše pozorování.“

Zdroj: https://scitechdaily.com/james-webb-unmasks-the-carbon-rich-secrets-of-protoplanetary-disks/ a https://scitechdaily.com/the-chemical-cauldron-of-creation-jwsts-insights-into-protoplanetary-disks/

autor: František Martinek