James Webb-teleskopet viser hvordan unge solsystemer mister gassen som bygger planeter

Et planetdannende reservoar som tømmes

Rundt unge stjerner finnes en protoplanetarisk skive – en roterende blanding av gass og støv som kan danne planeter. En ny analyse av observasjoner fra James Webb-romteleskopets infrarøde instrument MIRI viser hvordan denne skiven endrer seg over tid.

Hovedbildet er at gassen forsvinner i to etterfølgende faser. Tidlig i stjernesystemets liv dominerer kraftige, magnetisk drevne utstrømninger av molekylær og atomær gass. Når tilførselen av materiale til stjernen avtar, blir disse utstrømningene svakere. Til slutt kan stjernens røntgen- og ultrafiolette stråling varme opp overflaten av skiven og drive bort den gjenværende gassen gjennom fotoevaporasjon. 23

Dette skaper et «kappløp mot tiden»: En gasskjempe må samle hydrogen- og heliumkonvolutten sin før gasslageret i skiven blir tømt. 23

Hva fant undersøkelsen av 72 skiver?

Forskerne analyserte JWST/MIRI-data fra 72 hovedsakelig såkalte klasse II-skiver rundt unge stjerner. Utvalget besto av skiver som heller mer enn 40 grader i forhold til synslinjen, noe som gjør utstrømningene lettere å skille fra selve skiven.

• Utsending fra molekylært hydrogen (H₂) og ionisert neon ([Ne II]) ble romlig oppløst i 66 av systemene. Forskerne identifiserte koniske H₂-vinder i 46 skiver og høyhastighets-[Ne II]-jetstrømmer i 40. 3
• De yngste og mest aktive systemene, der mye materiale fortsatt faller inn mot stjernen, viste ofte både brede H₂-vinder og raske, smalt fokuserte neonstråler. Dette passer med magnetohydrodynamiske utstrømninger, der gass akselereres langs magnetfeltlinjer. 35
• H₂ fungerer som sporstoff for den bredere, molekylære vinden, mens neon i utgangspunktet viser den raske jetstrømmen. Andre JWST-observasjoner har på samme måte vist en smal og rask jetstrøm inne i en bredere og langsommere H₂-utstrømning. 7
• Etter hvert som tilførselen av materiale til stjernen avtar, blir både de raske [Ne II]-jetstrømmene og H₂-vindene sjeldnere. De varmere H₂-komponentene ser ut til å svekkes raskere enn de kjøligere. Skiver med lav tilvekst viser i større grad langsommere [Ne II]-utstrømninger og atomære vinder. 3

Fra magnetiske jetstrømmer til fotoevaporasjon

Funnene peker mot en gradvis overgang mellom ulike måter en ung stjerne kan tømme den planetdannende skiven på.

Tidlig kan magnetiske felt kanalisere store mengder gass bort fra skiven i raske jetstrømmer og bredere vinder. Denne gassen kan skjerme skiven mot en del av stjernens energirike stråling. Etter noen millioner år svekkes den magnetiske aktiviteten og utstrømningene avtar. Da slipper mer røntgen- og ultrafiolett stråling frem til skivens overflate.

Strålingen varmer opp gassen slik at den kan unnslippe stjernens gravitasjon. Prosessen kalles fotoevaporasjon og gir en forholdsvis rolig, hovedsakelig atomær vind som fjerner restene av gass. 23

Studien støtter dermed et bilde der den dominerende mekanismen endrer seg med stjernens alder: fra kraftige, molekylære og magnetisk drevne utstrømninger til svakere, mer atomære vinder og til slutt fotoevaporativ uttynning.

Hvorfor er dette viktig for gasskjemper?

En planet som Jupiter trenger en massiv nok gasskive for å samle en stor atmosfære av hydrogen og helium. Når jetstrømmer, magnetiske vinder og senere fotoevaporasjon fjerner dette reservoaret, kan en fast kjerne ikke lenger vokse til en gasskjempe. 2

Tidspunktet for kjernedannelsen blir derfor avgjørende. En kjerne som blir stor nok tidlig, kan utløse rask gassoppsamling og utvikle seg til en gasskjempe. En tilsvarende kjerne som blir ferdig senere, kan møte en skive som allerede er kraftig uttynnet eller nesten tom for gass – og ende som en mindre planet med lite av den opprinnelige atmosfæren. Dette er en slutning fra den observerte utviklingen av skivene, ikke en direkte observasjon av planeter som skifter type. 23

For vårt eget solsystem innebærer resultatet at den unge solen sannsynligvis gikk gjennom en tidlig fase med magnetiske vinder, etterfulgt av en fase der stråling bidro til å fordampe bort den gjenværende skiven. Jupiter må derfor ha samlet den store gassatmosfæren sin i løpet av solsystemets første millioner år, før soltåken ble fjernet. 2

Hvor mye gass forsvinner egentlig?

Undersøkelsen viser tydelig hvordan utstrømningene ser ut og hvordan forekomsten deres endrer seg, men den måler ikke fullt ut hvor store massetapene er. Det gjenstår blant annet å fastslå:

• hvor mye masse hver jetstrøm eller vind fører bort;
• hvilke avstander fra stjernen og hvilke høyder i skiven som leverer gassen;
• temperaturene og hastighetene til de ulike utstrømningene; og
• hvor lang tid det faktisk tar å tømme skiven og stenge vinduet for dannelsen av gasskjemper. 34

Materialet som ligger til grunn, gir derfor ikke nok støtte for en presis, universell tidsfrist for når alle protoplanetariske skiver forsvinner, eller for en bestemt massetapsrate for hver enkelt vindkomponent.