Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba odkrył parę wodną w dysku protoplanetarnym. To niepozorne odkrycie potwierdza od wielu lat istniejącą teorię dotyczącą tego, w jaki sposób powstają planety takie jak Ziemia.
Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) zaobserwował dyski protoplanetarne, z których dosłownie odparowywana jest zimna „para wodna”, dostarczając kluczowych dowodów na poparcie wiodącej teorii opisującej proces powstawania planet.
Nadmiar pary wodnej został wykryty przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba w dwóch zwartych dyskach gazu i pyłu otaczających młode gwiazdy w wieku zaledwie 2–3 milionów lat – czyli niewiarygodnie młodych w porównaniu do wieku Wszechświata. Dyski te znajdują się w obszarze gwiazdotwórczym w gwiazdozbiorze Byka, oddalonym o około 430 lat świetlnych od Ziemi.
Astronomowie uważają, że planety powstają w procesie rozpoczynającym się od tak zwanej „akrecji odłamków”. Dotyczy to małych kawałków skał krzemianowych o wielkości od centymetrów do około metra, pokrytych lodem. Uważa się, że rozpoczynają swoje życie w zamarzniętych zewnętrznych częściach dysku, w którym powstają planety, zwykle będącym domem dla komet, i ostatecznie zaczynają doświadczać tarcia z gazem w dysku. Tarcie to prawdopodobnie pozbawia kamyki energii orbitalnej i powoduje ich migrację do wewnętrznego obszaru dysku.
Uważa się, że gdy owe odłamki i głazy gromadzą się w wewnętrznej części dysku, zaczynają wpadać na siebie i sklejać się ze sobą, powoli tworząc coraz większe obiekty, aż staną się protoplanetami. Na tym etapie znacznie silniejsza grawitacja tych protoplanet pozwala im przyciągać kamyki z jeszcze większą szybkością, przyspieszając wzrost nowych planet. Od wielu lat przyjmuje się, że właśnie tak powstają planety.
Para wodna wykryta przez instrument obserwujący wszechświat w zakresie średniej podczerwieni (MIRI) zainstalowany na pokładzie Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba jest dowodem wspierającym ten model, ponieważ oczekuje się, że taka woda będzie pochodzić z migrujących do wnętrza układu planetarnego lodowych głazów.
Uważa się, że w miarę jak lodowe głazy dryfują do wnętrza dysku, przekraczają granicę zwaną „linią śniegu”. W naszym Układzie Słonecznym linia śniegu znajdowała się dokładnie wewnątrz obecnej orbity Jowisza, w czasach kiedy formowały się planety. Uważa się, że wewnątrz tej granicy temperatura wewnątrz dysku jest zbyt wysoka, aby woda mogła istnieć w postaci lodu. W ten sposób lodowa powłoka na głazach musi odparowywać, co powinno prowadzić do powstawania zimnej pary wodnej w wewnętrznej części dysku protoplanetarnego. I to właśnie odkrył teraz MIRI w obserwowanych dyskach tego typu.
„Webb w końcu ujawnił związek między parą wodną w dysku wewnętrznym a dryfem lodowych odłamków z zewnętrznych rejonów dysku” – stwierdziła w oświadczeniu Andrea Banzatti z Texas State University, główna autorka nowego artykułu opisującego obserwacje JWST .
JWST zaobserwował w sumie cztery dyski protoplanetarne – dwa dyski, które są dość zwarte, i dwa, które są wydłużone i nie doświadczyły jeszcze tak dużej migracji do wewnątrz. Para wodna została znaleziona jedynie w dwóch dyskach kompaktowych.
Nie oznacza to jednak, że wszystko już wiadomo i można się rozejść. Wciąż istnieje wiele pytań, na które odpowiedzi jeszcze nie znamy. Na przykład dwa rozszerzone dyski, należące do układów CI Tau i IQ Tau, wydają się mieć pierścienie na zdjęciach wykonanych przez Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) w Chile. Sposób formowania się tych pierścieni jest nadal przedmiotem dyskusji, ale jedna z teorii głosi, że kiedy migrujące kamyki napotykają obszar o wyższym ciśnieniu, ich dryf do wewnętrznej części dysku zostaje zahamowany. Uważa się, że to spowolnienie powoduje zatrzymanie głazów w tego rodzaju pułapkach ciśnieniowych, zmuszając je do tworzenia takich pierścieni. Nie jest jednak jasne, w jaki sposób pierścienie te wpływają na powstawanie planet w wyniku akreowania w nich kolejnych głazów. Co równie ciekawe, w dyskach kompaktowych GK Tau i HP Tau nie widać żadnych śladów struktur pierścieniowych.
Otwartym pozostaje również pytanie o to, jakie warunki muszą panować wewnątrz dysku, aby migrujące głazy sklejały się ze sobą podczas zderzeń, nie rozbijając się na mniejsze odłamki.
Obserwacje JWST potwierdzające migrację lodowych odłamków i głazów do wewnątrz układu planetarnego sugerują, że istnieją odpowiedzi na te pytania, ale musimy ich jeszcze poszukać. Pozostaje mieć nadzieję, że teleskop Jamesa Webba pozwoli nam je znaleźć.
„W przeszłości mieliśmy bardzo statyczny obraz powstawania planet, prawie tak, jakby istniały odizolowane strefy, z których powstają planety” – Colette Salyk z Vassar College w Nowym Jorku, współautorka artykułu opisującego wyniki badań za pomocą Jamesa Webba. „Teraz mamy dowody na to, że te strefy ze sobą oddziaływują”.