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

این مطالعه که توسط Naman Bajaj از دانشگاه آریزونا و با همکاری اوما گورتی، دانشمند مؤسسه SETI 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 باد در مراحل مختلف توسعه اولیه سیستم غالب بوده است.

یافته ها در منتشر شده است مجله نجومی.

تشکیل سیاره یک ضرب الاجل دارد

گورتی گفت: “چیزی که در مورد این مطالعه هیجان انگیز است این است که اکنون می توانیم در نمونه بزرگی از سیستم های جوان ببینیم که چگونه مکانیسم هایی که گاز را از دیسک های تشکیل دهنده سیاره خارج می کنند در طول زمان تغییر می کنند. پراکندگی دیسک یک ساعت اصلی برای تشکیل سیاره تنظیم می کند: وقتی گاز از بین رفت، فرصت ساخت سیارات غنی از گاز اساسا به پایان می رسد.”

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

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

JWST گاز فرار را ردیابی می کند

باجاج و همکارانش این فرآیند را با استفاده از مشاهدات آرشیوی از ابزار مادون قرمز میانی JWST (MIRI) بررسی کردند. 72 سیستم مراحل مختلف توسعه سیاره را پوشش می دهند. در مجموع، آنها نوعی توالی از عکس های فوری را ارائه می دهند که به محققان اجازه می دهد تا نحوه تغییر پراکندگی گاز را با افزایش سن سیستم ها بازسازی کنند.

در سال 2020، پروفسور LPL Ilaria Pascucci، نویسنده دوم مقاله و مشاور باجاج، یک مطالعه مرتبط را رهبری کرد که در آن به بررسی چگونگی توسعه جت ها و بادها پرداخت. قبل از JWST، محققان نمی‌توانستند مستقیماً هیدروژن مولکولی را مشاهده کنند، اما تیم پیش‌بینی کرد که بادهای مولکولی باید وجود داشته باشند و می‌توانند در مراحل اولیه به اندازه کافی متراکم باشند تا فوتون‌های اشعه 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 خروجی 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 جت‌های قدرتمند همراه با بادهای وسیع حاوی گاز مولکولی و اتمی را یافتند. این جریان های خروجی با بادهای ایجاد شده توسط میدان های مغناطیسی عبوری از دیسک سازگار است. گاز می تواند این خطوط میدان مغناطیسی را به سمت بیرون دنبال کند و هم مواد و هم حرکت زاویه ای را از دیسک حذف کند.

تشعشعات ستاره ای فرا می رسد

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 خروجی به طور فزاینده ای اتمی می شود. در این مرحله، تابش پرانرژی ستاره جوان می تواند به مواد نازک کننده نفوذ کند و گاز موجود در دیسک را تا زمانی که خارج شود گرم کند. این مکانیسم به عنوان تبخیر نوری شناخته می شود.

گورتی دهه ها را صرف مطالعه تکامل و پراکندگی دیسک های پیش سیاره ای کرده است، از جمله نقش پرتوهای فرابنفش و اشعه ایکس از ستارگان جوان در هدایت بادهای تبخیر نوری. مشاهدات اخیر JWST یک پیوند مشاهده ای به این کار نظری در ده ها سیستم ارائه می دهد. 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 هیچ مکانیسم واحدی برای پاکسازی یک دیسک تشکیل‌دهنده سیاره وجود ندارد. در عوض، به نظر می‌رسد سیستم‌های جوان با جت‌ها و بادهای مغناطیسی قدرتمند شروع می‌شوند تا به مرحله بعدی بروند که در آن بادهای اتمی، از جمله بادهای تولید شده توسط 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 پایدار هیدروژن مولکولی و نئون یونیزه شده را در 66 دیسک از 72 دیسک دریافتند. بادهای هیدروژنی مولکولی مخروطی شکل در 46 سیستم ظاهر شد، در حالی که جت‌های نئونی با حرکت سریع در 40 سیستم شناسایی شدند. هر سیستم حاوی یک جت نئونی نیز شواهدی از باد را نشان داد که توسط هیدروژن یا اکسیژن مولکولی دنبال می‌شد.

دیدگاهی گسترده تر از چگونگی تکامل سیستم های سیاره ای

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

این کار قبلی نشان داد که JWST می‌تواند به طور مستقیم پراکندگی دیسک را در یک منظومه سیاره‌ای منفرد کاوش کند. مطالعه جدید رویکرد ده‌ها ستاره جوان را 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 دقیقاً تعیین کنند که این بادها در طول زمان چقدر گاز را از بین می‌برند و مشخص کنند که منشأ مواد خروجی از کجای دیسک است. این اندازه‌گیری‌ها نه تنها می‌تواند نشان دهد که پنجره شکل‌گیری سیاره با چه سرعتی بسته می‌شود، بلکه می‌تواند نشان دهد که چه مناطقی از دیسک قادر به تولید انواع مختلف سیاره‌ها قبل از اتمام ذخایر گاز هستند.