جیمز وب نشان می دهد که چرا تشکیل سیاره مسابقه ای با زمان است

سیارات درون دیسک‌هایی از گاز و غبار اطراف ستاره‌های جوان شکل می‌گیرند، اما عرضه گازی که به آن وابسته هستند موقتی است. مشاهدات جدید از تلسکوپ فضایی جیمز وب ناسا (JWST) به ستاره شناسان تصویر واضح تری از نحوه فرار آن گاز و چگونگی تغییر مکانیسم های غالب فرار با بلوغ سیستم های سیاره ای می دهد.

این مطالعه که توسط Naman Bajaj از دانشگاه آریزونا و توسط دانشمند مؤسسه SETI، Uma Gorti انجام شد، 72 ستاره جوان شبیه خورشید و دیسک های پیش سیاره ای آنها را مورد بررسی قرار داد. این یکی از بزرگترین مطالعات تشکیل سیاره است که با JWST انجام شده است و نشان می دهد که انواع مختلف بادها در مراحل مختلف توسعه اولیه یک سیستم غالب هستند.

این یافته ها در مجله Astronomical منتشر شده است.

گورتی می‌گوید: «آنچه در مورد این مطالعه هیجان‌انگیز است این است که اکنون می‌توانیم در نمونه بزرگی از سیستم‌های جوان ببینیم که چگونه مکانیسم‌هایی که گاز را از دیسک‌های تشکیل‌دهنده سیاره حذف می‌کنند با زمان تغییر می‌کنند. پراکندگی دیسک یک ساعت اساسی برای تشکیل سیاره تنظیم می‌کند: زمانی که گاز از بین رفت، فرصت ساخت سیارات غنی از گاز اساسا به پایان می‌رسد.»

منظومه شمسی ما اکنون حدود 4.5 میلیارد سال سن دارد و بیشتر از فضای خالی تشکیل شده است. با این حال، در طول چند میلیون سال اول، خورشید جوان توسط یک قرص پیش سیاره ای متراکم احاطه شده بود که حاوی تقریبا 100 برابر بیشتر از غبار گاز بود. تقریبا تمام آن گاز در نهایت ناپدید شد.

درک زمان و چگونگی از بین رفتن این مواد مهم است زیرا گاز برای تشکیل سیارات غول پیکری مانند مشتری و زحل ضروری است. اگر یک دیسک گاز خود را خیلی سریع از دست بدهد، سیارات در حال توسعه ممکن است زمان کافی برای جمع آوری جوهای عظیم مورد نیاز برای تبدیل شدن به غول های گازی نداشته باشند.

باجاج و همکارانش این فرآیند را با استفاده از مشاهدات آرشیوی از ابزار مادون قرمز میانی JWST (MIRI) بررسی کردند. این 72 منظومه در مراحل مختلف رشد سیاره ای قرار دارند. در مجموع، آن‌ها چیزی شبیه به دنباله‌ای از عکس‌های فوری را ارائه می‌کنند که به محققان این امکان را می‌دهد تا نحوه تغییر پراکندگی گاز را با بزرگ‌تر شدن سیستم‌ها بازسازی کنند.

در سال 2020، پروفسور LPL Ilaria Pascucci، نویسنده دوم مقاله و مشاور Bajaj، یک مطالعه مرتبط را رهبری کرد که چگونگی تکامل جت ها و بادها را بررسی کرد. قبل از JWST، محققان نمی توانستند به طور مستقیم هیدروژن مولکولی را مشاهده کنند، اما تیم پیش بینی کرد که بادهای مولکولی باید وجود داشته باشند و می توانند در مراحل اولیه به اندازه کافی متراکم باشند تا فوتون های پرتو ایکس را مسدود کنند. با ردیابی مستقیم هیدروژن مولکولی در مشاهدات جدید، تیم باجاج این پیش‌بینی‌ها را با تصاویر JWST تأیید کرد.

محققان بر روی دو شاخص مواد فراری تمرکز کردند: هیدروژن مولکولی، فراوان ترین مولکول در دیسک های پیش سیاره ای، و نئون یونیزه شده. حساسیت و قدرت تفکیک JWST به آن‌ها این امکان را می‌دهد که بادهای وسیع حاوی هیدروژن مولکولی را از جت‌ها و بادهایی که توسط نئون ردیابی می‌شوند، تشخیص دهند.

در جوان‌ترین منظومه‌ها، جایی که مواد هنوز بر روی ستاره مرکزی می‌افتند، محققان فوران‌های قدرتمند همراه با بادهای گسترده حاوی گاز مولکولی و اتمی را شناسایی کردند. این جریان های خروجی با بادهای ایجاد شده توسط میدان های مغناطیسی که از طریق دیسک عبور می کنند، سازگار است. گاز می تواند آن خطوط میدان مغناطیسی را به سمت بیرون دنبال کند و هم مواد و هم حرکت زاویه ای را از دیسک حذف کند.

همانطور که سیستم های سیاره ای بالغ می شوند و جریان مواد به سمت ستاره کاهش می یابد، جت ها ضعیف می شوند و گاز فراری به طور فزاینده ای اتمی می شود. در این مرحله، تابش پرانرژی ستاره جوان می‌تواند به مواد نازک‌کننده نفوذ کند و گاز موجود در دیسک را تا زمانی که فرار کند گرم می‌کند. این مکانیسم به عنوان تبخیر نوری شناخته می شود.

گورتی دهه‌ها را صرف بررسی تکامل و پراکندگی دیسک‌های پیش سیاره‌ای، از جمله نقش پرتوهای فرابنفش و اشعه ایکس از ستارگان جوان در هدایت بادهای تبخیری نوری کرده است. آخرین مشاهدات JWST یک ارتباط مشاهده‌ای را با آن کار نظری در ده‌ها سیستم فراهم می‌کند. آنها نشان می دهند که تبخیر نوری با پیر شدن دیسک ها و محو شدن جت ها و بادهای مغناطیسی مهم تر می شود.

یافته‌ها نشان می‌دهد که مکانیسم واحدی وجود ندارد که مسئول پاک کردن یک سیاره تشکیل‌دهنده دیسک باشد. در عوض، به نظر می‌رسد که سیستم‌های جوان با جت‌ها و بادهای مغناطیسی قدرتمند آغاز می‌شوند تا به مرحله‌ای بعدی انتقال یابند که در آن بادهای اتمی، از جمله بادهای تولید شده از طریق تبخیر نوری، اهمیت فزاینده‌ای پیدا می‌کنند.

این انتقال پیامدهای عمده ای برای سیارات در حال توسعه دارد.

باجاج گفت: «بنابراین تشکیل سیاره مسابقه ای با زمان است. غول‌های گازی مانند مشتری باید اتمسفر عظیم خود را جمع کنند، در حالی که دیسک هنوز به اندازه کافی برای تامین آنها وجود دارد، قبل از اینکه بادها و جت‌ها این ماده خام را به فضا ببرند.

محققان انتشارات گسترده از هیدروژن مولکولی و نئون یونیزه شده را در 66 دیسک از 72 دیسک شناسایی کردند. بادهای هیدروژنی مولکولی مخروطی در 46 سیستم ظاهر شد، در حالی که جت‌های نئونی با حرکت سریع در 40 سیستم یافت شدند. هر سیستم حاوی یک جت نئون نیز شواهدی از وجود باد نشان داد که توسط هیدروژن یا اکسیژن مولکولی ردیابی می‌شود.

دیدگاهی گسترده تر از چگونگی تکامل سیستم های سیاره ای

این مطالعه مشاهدات قبلی از همان گروه تحقیقاتی را گسترش می دهد. در سال 2024، باجاج، گورتی و همکارانشان از JWST برای تصویربرداری از گازی که از سیاره تشکیل‌دهنده دیسک دور ستاره جوان T Cha استفاده می‌کردند، استفاده کردند.

آن کار قبلی نشان داد که JWST می‌تواند به طور مستقیم پراکندگی دیسک را در یک سیستم سیاره‌ای منفرد بررسی کند. مطالعه جدید رویکرد را به ده‌ها ستاره جوان گسترش می‌دهد و نشان می‌دهد که چگونه تعادل بین جت‌ها، بادهای مولکولی و بادهای اتمی با پیر شدن سیستم‌های سیاره‌ای تغییر می‌کند.

اکنون محققان می‌خواهند دقیقا تعیین کنند که این بادها در طول زمان چقدر گاز را از بین می‌برند و مشخص کنند که مواد فرار از کجای دیسک منشأ می‌گیرند. این اندازه‌گیری‌ها نه تنها می‌توانند نشان دهند که پنجره شکل‌گیری سیاره با چه سرعتی بسته می‌شود، بلکه می‌تواند نشان دهد که چه مناطقی از یک دیسک قادر به تولید انواع مختلف سیارات قبل از ناپدید شدن گازشان هستند.

مواد ارائه شده توسط موسسه SETI. توجه: محتوا ممکن است برای سبک و طول ویرایش شود.

دانشمندان یک "حافظه" مولکولی کشف کردند که می تواند باعث بازگشت وزن از دست رفته شود

دانشمندان فاش کردند که اگر یلوستون اکنون فوران کند چه اتفاقی می‌افتد

دانشمندان یک کمک خواب غیرمنتظره ساخته شده از ریشه درختان را آزمایش کردند

تلسکوپ رومی ناسا چشم 300 مگاپیکسلی خود را بر روی کیهان باز کرد