Szybko lub wcale. Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba pokazuje, że gazowe planety mają ograniczony czas na uformowanie się
Nie z każdego dysku protoplanetarnego musi powstać planeta. Wiele procesów może zakłócić ewolucję dysku i usunąć część materiału, zanim zostanie on wykorzystany do jej stworzenia. Najnowsze badania pokazują, że okno czasowe na zgromadzenie dużych ilości gazu niezbędnego do powstania gazowych olbrzymów jest – w skali kosmicznej – wyjątkowo krótkie.
Zgodnie ze standardowym modelem Ziemia i inne planety powstały w dyskach protoplanetarnych. Taki wirujący wokół młodej gwiazdy dysk składa się z gazu i pyłu, które nie zostały wchłonięte przez gwiazdę. Ziarna pyłu i lodu zderzają się i zlepiają, a z czasem tworzą coraz większe ciała, w tym planetozymale. Te stają się budulcem zarówno planet skalistych, jak i gazowych olbrzymów. Cały proces trwa miliony lat, a w przypadku końcowych etapów formowania planet skalistych nawet dziesiątki milionów lat.
Z artykułu opublikowanego niedawno w czasopiśmie „The Astronomical Journal” wynika, że gaz w dyskach protoplanetarnych jest usuwany przez kilka procesów, których znaczenie zmienia się wraz z wiekiem układu. Dżety, wiatry napędzane polem magnetycznym oraz promieniowanie wysokoenergetyczne mogą rozproszyć gaz, zanim młode planety zdążą go uformować.
72 dyski protoplanetarne
Naman Bajaj z Uniwersytetu Arizony wraz ze współpracownikami przeanalizował archiwalne dane z instrumentu MIRI Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba. Próba obejmowała 72 nachylone względem nas dyski protoplanetarne, w większości należące do obiektów klasy II. Badacze śledzili linie emisyjne wodoru cząsteczkowego i jednokrotnie zjonizowanego neonu. Ponieważ obserwowane obiekty znajdują się na różnych etapach ewolucji, ich zestawienie pozwoliło odtworzyć statystyczny obraz zmian zachodzących w młodych układach. Można obrazowo powiedzieć, że z analiz ułożył się film poklatkowy.
Wyniki wskazują, że planety, a zwłaszcza gazowe olbrzymy, muszą rosnąć szybko. Gaz potrzebny do budowy ich rozległych atmosfer jest bowiem dostępny przez bardzo ograniczony czas.
Uciekający gaz
We wczesnej fazie rozwoju układu młoda gwiazda akreuje materię z otaczającego ją dysku, uszczuplając jego zasoby. Akrecji towarzyszą dżety oraz wiatry napędzane przez pole magnetyczne przenikające dysk. Gaz przemieszcza się wzdłuż linii pola i opuszcza układ, stopniowo zmniejszając masę dysku. Takie wypływy określa się mianem wiatrów magnetohydrodynamicznych.
Badanie sugeruje, że po kilku milionach lat, gdy dżety zanikają, a wiatry molekularne słabną, coraz większą rolę zaczynają odgrywać wiatry fotoewaporacyjne. Promieniowanie ultrafioletowe i rentgenowskie młodej gwiazdy ogrzewa oraz jonizuje gaz, ułatwiając jego ucieczkę z dysku.
Oznacza to, że okres szczególnie sprzyjający wzrostowi planet gazowych jest stosunkowo krótki. Z czasem znaczna część potrzebnego im gazu zostaje rozproszona i trafia do przestrzeni międzygwiazdowej.
Jak wyjaśnił w informacji prasowej Naman Bajaj z Uniwersytetu Arizony, formowanie planet przypomina wyścig z czasem. Gazowe olbrzymy, takie jak Jowisz, muszą zgromadzić rozległe atmosfery, zanim dysk utraci większość zasobów. Jeżeli nie nastąpi to odpowiednio wcześnie, dżety i wiatry wyniosą gaz w przestrzeń kosmiczną, ograniczając dalszy wzrost takich planet.
Skala planetarna
Przyjrzyjmy się skalom czasowym. Typowy dysk protoplanetarny utrzymuje się średnio przez około 2-3 miliony lat, choć za ostateczny podaje się wiek około 10 milionów lat. Nie jest to jednak sztywna granica, znamy także rzadkie dłużej żyjące dyski. W tym czasie muszą powstać jądra gazowych olbrzymów i rozpocząć intensywne gromadzenie gazu. Planety skaliste mogą rosnąć dłużej, także po rozproszeniu gazu: zderzenia planetozymali i embrionów planetarnych mogą trwać dziesiątki, a nawet około stu milionów lat.
Źródło: news.arizona.edu
Nasza autorka
Ewelina Zambrzycka-Kościelnicka
Dziennikarka i pisarka zajmującą się tematyką popularnonaukową, głównie kosmosem. Absolwentka Uniwersytetu Warszawskiego, przygodę z mediami rozpoczęła ponad 20 lat temu w redakcji „Życia Warszawy”. Poza pisaniem o polskiej i światowej nauce na łamach „National Geographic” współpracuje m.in. z „Wysokimi Obcasami” i kilkoma magazynami premium. Współautorka trzech bestsellerowych książek: „Człowiek – istota kosmiczna”, „Kosmiczne wyzwania” i „Odważ się robić wielkie rzeczy”. Ambasadorka Śląskiego Festiwalu Nauki. Pracuje w Centrum Badań Kosmicznych PAN i współpracuje z polskim Obserwatorium Cerro Murphy w Chile (OCM), którym zarządza CAMK PAN.