Kosmiczny Teleskop Hubble’a został wykorzystany do przeprowadzenia trwającego trzy lata badania zatłoczonej, masywnej i młodej gromady gwiazd Westerlund 2. Badania wykazały, że materia otaczająca gwiazdy w pobliżu centrum gromady jest w tajemniczy sposób pozbawiona dużych, gęstych obłoków pyłowych, które mogłyby stać się planetami za kilka milionów lat. Za ich brak odpowiadają najbardziej masywne i najjaśniejsze gwiazdy gromady, które erodują i rozpraszają dyski gazu i pyłu zbierające się wokół sąsiednich gwiazd. Po raz pierwszy astronomowie przeanalizowali niezwykle gęstą gromadę gwiazd, aby zbadać jakie środowiska sprzyjają powstawaniu planet.
To badanie przeprowadzone w latach 2016 do 2019 miało na celu zbadanie właściwości gwiazd podczas ich wczesnych faz ewolucyjnych i prześledzenie ewolucji ich środowisk okołogwiazdowych. Takie badania ograniczały się wcześniej do najbliższych regionów gwiazdotwórczych o małej gęstości. Astronomowie po raz pierwszy użyli Kosmicznego Teleskopu Hubble’a, aby rozszerzyć te badania na centrum jednej z niewielu masywnych gromad Drogi Mlecznej, Westerlund 2.
Astronomowie odkryli teraz, że planetom trudno powstawać w centralnych rejonach gromady. Obserwacje wskazują również, że gwiazdy na obrzeżach gromady mają ogromne obłoki pyłowe, w których powstają. Aby wyjaśnić, dlaczego niektóre gwiazdy w Westerlund 2 mają trudności z formowaniem planet, a inne nie, badacze wskazują, że jest to w dużej mierze spowodowane lokalizacją. Najbardziej masywne i najjaśniejsze gwiazdy w gromadzie gromadzą się w jej centrum. Westerlund 2 zawiera co najmniej 37 niezwykle masywnych gwiazd, niektóre o masie do nawet 100 mas Słońca. Emitowane przez nie niezwykle intensywne promieniowanie ultrafioletowe i huraganowe wiatry gwiazdowe działają jak miotacze ognia i niszczą dyski wokół sąsiednich gwiazd, rozpraszając gigantyczne obłoki pyłu.
„Zasadniczo, jeśli masz potężne gwiazdy, to ich energia będzie zmieniała właściwości dysków”, wyjaśnia główna badaczka Elena Sabbi z Space Telescope Science Institute w Baltimore, USA. „Dyski będą nadal istniały, ale gwiazdy zmieniają skład pyłu w nich;, więc trudniej jest stworzyć stabilne struktury, które ostatecznie doprowadzą do powstania planet. Uważamy, że pył albo odparuje za 1 milion lat, albo zmienia się jego skład i rozmiar tak gwałtownie, że planety nie będą miały z czego powstać”.
Westerlund 2 to wyjątkowe laboratorium, w którym można badać gwiezdne procesy ewolucyjne, ponieważ znajduje się stosunkowo blisko, jest dość młode i zawiera bogatą populację gwiazd. Gromada znajduje się w gwiezdnym żłobku znanym jako Gum 29, położonym około 14 000 lat świetlnych stąd w gwiazdozbiorze Kila (Carina). Gwiezdny żłobek jest trudny do zaobserwowania, ponieważ jest otoczony pyłem. Na szczęście kamera Wide Field Camera 3 Hubble’a może przejrzeć ten pyłowy welon w bliskiej podczerwieni, dając astronomom wyraźny widok gromady. Doskonały wzrok Hubble’a wykorzystano do rozdzielenia poszczególnych gwiazd i zbadania ogromnego zagęszczenia gwiazd w centrum gromady.
„W wieku niespełna dwóch milionów lat Westerlund 2 kryje jedne z najbardziej masywnych i najgorętszych młodych gwiazd Drogi Mlecznej” – powiedział członek zespołu Danny Lennon z Instituto de Astrofísica de Canarias i Universidad de La Laguna . „Środowisko tej gromady jest nieustannie bombardowane przez silne wiatry gwiezdne i promieniowanie ultrafioletowe gwiezdnych gigantów o masie nawet 100 razy większej niż Słońce”.
Sabbi i jej zespół odkryli, że spośród prawie 5000 gwiazd w Westerlund 2 o masach od 0,1 do 5 razy większej niż masa Słońca, 1500 z nich wykazuje dramatyczne zmiany jasności, które przypisywane są powszechnie obecności dużych zagęszczeń pyłu i planetazymali. Krążąca wokół gwiazd materia częściowo blokuje emitowane przez nie światło, powodując zmiany jasności. Jednak Hubble wykrył jedynie sygnaturę cząstek pyłu wokół gwiazd poza centralnym obszarem. Takich samych spadków jasności nie zarejestrowano w przypadku gwiazd przebywających w odległości czterech lat świetlnych od centrum.
Dzięki Hubble’owi astronomowie mogą teraz zobaczyć, jak gwiazdy akreują w środowiskach podobnych do wczesnego Wszechświata, gdzie gromady były zdominowane przez potężne, masywne gwiazdy. Jak dotąd najbardziej znanym pobliskim gwiezdnym środowiskiem zawierającym masywne gwiazdy jest gwiezdny żłobek w Mgławicy Oriona. Jednak Westerlund 2 jest bogatszym celem ze względu na większą populację gwiazd.
„Uważamy, że to planetozymale już istniejące lub właśnie teraz powstające” – wyjaśnia Sabbi. „Mogą to być swego rodzaju nasiona, które ostatecznie prowadzą do powstania planet. To układy, których nie widzimy w pobliżu bardzo masywnych gwiazd. Widzimy je tylko w układach gwiazd poza centrum gromady.”
Westerlund 2 daje nam znacznie lepsze statystyki dotyczące tego, jak masa wpływa na ewolucję gwiazd, jak szybko one ewoluują, a my widzimy ewolucję dysków gwiezdnych i znaczenie sprzężenia gwiezdnego w modyfikowaniu właściwości tych układów ”- powiedział Sabbi. „Możemy wykorzystać wszystkie te informacje, aby poprawić nasze modele formowania się planet i ewolucji gwiazd”.
Gromada ta będzie również doskonałym celem do dalszych obserwacji za pomocą Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba. Hubble pomógł astronomom zidentyfikować gwiazdy z możliwymi strukturami planetarnymi. Za pomocą teleskopu Webba badacze będą mogli badać, które dyski wokół gwiazd nie akreują materii, a które dyski wciąż zawierają materię, z której mogłyby powstawać planety. Webb będzie również badał chemię dysków w różnych fazach ewolucyjnych i obserwował ich zmiany, aby pomóc astronomom w określeniu roli środowiska w ich ewolucji.
„Głównym wnioskiem tej pracy jest to, że potężne promieniowanie ultrafioletowe masywnych gwiazd zmienia dyski wokół gwiazd sąsiednich” – powiedział Lennon. „Jeśli zostanie to potwierdzone pomiarami wykonanymi przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, wynik ten może również wyjaśniać, dlaczego układy planetarne należą do rzadkości w starych, masywnych gromadach kulistych.”