Po raz pierwszy astronomowie obserwowali z niespotykaną dotąd szczegółowością procesy, w których powstają gwiazdy i planety w powstających układach słonecznych. Korzystając z obu teleskopów Keck na Mauna Kea na Hawajach, wyposażonych w specjalnie zaprojektowany instrument o nazwie ASTRA (ASTrometric and A-Phreniced Astronomy), Joshua Eisner z University of Arizona i jego koledzy mogli zagłębić się głęboko w dyski protoplanetarne - wirując chmury gazu i pył, który zasila rosnącą gwiazdę w jej centrum i ostatecznie zlewa się w planety i planetoidy, tworząc układ słoneczny. To, co zobaczyli, zapewnia wgląd w sposób, w jaki gazowy wodór z dysku protoplanetarnego jest włączany do gwiazdy.
Aby uzyskać niezwykle dokładną rozdzielczość niezbędną do obserwowania procesów zachodzących na granicy między gwiazdą a otaczającym ją dyskiem 500 lat świetlnych od Ziemi, zespół połączył światło z dwóch teleskopów Keck, co zapewnia rozdzielczość kątową lepszą niż Hubble'a . Eisner i jego zespół zastosowali również technikę zwaną spektro-astrometrią, aby jeszcze bardziej zwiększyć rozdzielczość. Mierząc światło pochodzące z dysków protoplanetarnych o różnych długościach fali za pomocą obu luster teleskopu Keck i manipulując nim dalej za pomocą ASTRA, naukowcy osiągnęli rozdzielczość potrzebną do obserwowania procesów w centrach powstających układów słonecznych.
„Rozdzielczość kątowa, którą można osiągnąć za pomocą Kosmicznego Teleskopu Hubble'a, jest około 100 razy zbyt gruba, aby móc zobaczyć, co dzieje się tuż za wschodzącą gwiazdą niewiele większą od naszego Słońca” - powiedział Eisner. Innymi słowy, nawet protoplanetarny dysk wystarczająco blisko, aby można go było rozpatrywać w sąsiedztwie naszego Układu Słonecznego, wyglądałby jak pozbawiona cech plama.
Dzięki tej nowej technice zespół był w stanie rozróżnić dystrybucję gazu, głównie złożonego z wodoru i pyłu, dzięki czemu rozwiązano funkcje dysku.
„Byliśmy w stanie zbliżyć się do gwiazdy naprawdę bardzo blisko i spojrzeć dokładnie na interfejs między bogatym w gaz dyskiem protoplanetarnym a gwiazdą” - powiedział Eisner.
Dyski protoplanetarne powstają w żłobkach gwiezdnych, gdy chmury cząsteczek gazu i cząstek pyłu zaczynają się zapadać pod wpływem grawitacji.
Początkowo obracając się powoli, rosnąca masa i grawitacja chmury powoduje, że staje się ona bardziej gęsta i zwarta. Utrzymanie pędu obrotowego przyspiesza chmurę, gdy się kurczy, podobnie jak łyżwiarz figurowy obraca się szybciej, gdy szarpa się za ramiona. Siła odśrodkowa spłaszcza chmurę w wirujący dysk wirującego gazu i pyłu, ostatecznie powodując powstanie planet krążących wokół gwiazdy w mniej więcej tej samej płaszczyźnie.
Astronomowie wiedzą, że gwiazdy nabywają masę, wprowadzając część wodoru gazowego do otaczającego ich dysku, w procesie zwanym akrecją, który może zachodzić na dwa sposoby.
W jednym scenariuszu gaz jest połykany, gdy zmywa się do ognistej powierzchni gwiazdy.
W drugim, znacznie bardziej gwałtownym scenariuszu, pola magnetyczne zsuwające się z gwiazdy odpychają zbliżający się gaz i powodują jego skupianie się, tworząc szczelinę między gwiazdą a otaczającym ją dyskiem. Zamiast docierać do powierzchni gwiazdy, atomy wodoru przemieszczają się wzdłuż linii pola magnetycznego jak na autostradzie, ulegając w tym procesie przegrzaniu i jonizacji.
„Po uwięzieniu w polu magnetycznym gwiazdy gaz przepływa wzdłuż linii pola, wyginając się wysoko powyżej i poniżej płaszczyzny dysku” - wyjaśnił Eisner. „Materiał uderza następnie w obszary polarne gwiazdy z dużą prędkością”.
W tym piekle, które co sekundę uwalnia energię milionów bomb atomowych wielkości Hiroszimy, część wyskakującego strumienia gazu jest wyrzucana z dysku i tryska daleko w kosmos jako wiatr międzygwiezdny.
„Chcemy zrozumieć, w jaki sposób materiał dociera do gwiazdy” - powiedział Eisner. „Ten proces nigdy nie był mierzony bezpośrednio.”
Zespół Eisnera skierował teleskopy na 15 dysków protoplanetarnych z młodymi gwiazdami o masie od połowy do 10 razy większej niż nasze słońce.
„Możemy z powodzeniem rozpoznać, że w większości przypadków gaz przekształca część swojej energii kinetycznej w światło bardzo blisko gwiazd” - powiedział, co jest znamiennym znakiem scenariusza gwałtowniejszej akrecji.
„W innych przypadkach widzieliśmy dowody wiatrów wystrzeliwanych w kosmos wraz z materiałem narastającym na gwiazdach” - dodał Eisner. „Znaleźliśmy nawet przykład - wokół gwiazdy o bardzo dużej masie - w którym dysk może sięgać aż do powierzchni gwiazdy.”
Układy słoneczne, które astronomowie wybrali do tego badania, są wciąż młode, prawdopodobnie mają kilka milionów lat.
„Te dyski będą dostępne jeszcze przez kilka milionów lat”, powiedział Eisner. „Do tego czasu mogą powstać pierwsze planety, gazowe olbrzymy podobne do Jowisza i Saturna, zużywając dużo materiału dysku”.
Bardziej solidne, skaliste planety, takie jak Ziemia, Wenus czy Mars, pojawią się dopiero później.
„Ale elementy te mogą się teraz tworzyć”, powiedział, dlatego te badania są ważne dla naszego zrozumienia tego, w jaki sposób układają się układy słoneczne, w tym te z potencjalnie zamieszkałymi planetami, takimi jak Ziemia.
„Zobaczymy, czy możemy wykonać podobne pomiary cząsteczek organicznych i wody w dyskach protoplanetarnych” - powiedział. „To właśnie te potencjalnie mogłyby stworzyć planety z warunkami do życia”.
Artykuł zespołu został opublikowany w czasopiśmie Astrophysical Journal
Papier: Eisner i in. Gaz wodorowy rozpuszczony przestrzennie i spektralnie w odległości 0,1 AU od T Tauri i Herbig Ae / Be Stars.
Źródło: University of Arizona
