Formowanie olbrzymich planet to wyścig z utratą gazu

Materiał, z którego powstaje gazowy olbrzym, nie jest dostępny bez końca. Młode gwiazdy otaczają wirujące dyski protoplanetarne zawierające gaz i pył — surowiec do budowy planet. Dyski te stopniowo tracą jednak materię pod wpływem dżetów, wiatrów, opadania gazu na gwiazdę oraz jej promieniowania.

Zespół kierowany przez Namana Bajaja z University of Arizona przełożył ten proces na obraz ewolucji całej populacji układów. Naukowcy przeanalizowali archiwalne obserwacje z instrumentu MIRI (Mid-Infrared Instrument) na pokładzie Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba. Zbadali 72 nachylone, w większości należące do klasy II dyski wokół młodych gwiazd podobnych do Słońca. Wyniki opublikowane w The Astronomical Journal pokazują, że sposób utraty gazu zmienia się wraz z ewolucją dysku. 12

Jądro planety musi wygrać z rozpadem dysku

Skaliste jądro może stać się gazowym olbrzymem tylko wtedy, gdy zdąży przechwycić masywną otoczkę wodoru i helu, zanim otaczający je dysk zostanie oczyszczony z gazu. Jeśli gaz zniknie wcześniej, jądro może pozostać planetą skalistą albo stać się mniejszym, ubogim w gaz światem. Badanie przedstawia więc powstawanie olbrzymów jako wyścig między szybkim wzrostem otoczki a rozpraszaniem gazowego rezerwuaru. 12

Ma to szczególne znaczenie dla planet takich jak Jowisz. Przeprowadzone obserwacje nie pozwalają ustalić dokładnej daty jego powstania, ale wzmacniają podstawowy wniosek: jądro Jowisza i jego masywna atmosfera musiały uformować się, gdy młody Układ Słoneczny wciąż miał obfity dysk gazowy. 12

Co Webb wykrył w 72 dyskach

Badacze wykorzystali emisję podczerwoną cząsteczek i atomów jako wskaźnik materii opuszczającej dyski. Rozszerzoną emisję molekularnego wodoru lub zjonizowanego neonu wykryto w 66 z 72 układów. Zespół zidentyfikował:

• 46 stożkowych wiatrów molekularnego wodoru, śledzących szersze wypływy materii z dysków;
• 40 wysokoenergetycznych dżetów zjonizowanego neonu, wskazujących na szybsze i bardziej skupione strumienie.

Każdy układ, w którym wykryto dżet zjonizowanego neonu, wykazywał również oznaki szerszego wiatru. W większości tych przypadków szerszy wypływ ujawniał molekularny wodór, a w pozostałych — tlen atomowy. Takie współwystępowanie łączy wąski, szybki dżet z rozleglejszym procesem zdolnym usuwać gaz z obszaru, w którym powstają planety. 2

Próba nie przedstawia jednego układu obserwowanego nieprzerwanie od narodzin do dojrzałości. 72 dyski reprezentują różne etapy wczesnego rozwoju. Ich porównanie pozwala stworzyć sekwencję ewolucyjną — zestaw pojedynczych obrazów, z którego naukowcy rekonstruują zmiany zachodzące podczas oczyszczania dysku. 12

Mechanizm usuwania gazu zmienia się z wiekiem

Wzorzec zaobserwowany przez zespół jest zgodny z istnieniem dwóch szerokich etapów oczyszczania dysku, następujących po sobie w ciągu pierwszych kilku milionów lat życia układu planetarnego. 1

Wczesny etap: magnetyczne dżety i wiatry molekularne

Układy, w których gwiazdy akreowały materię szybciej, częściej wykazywały dżety i wiatry molekularne. Zależność ta pasuje do wczesnej fazy, gdy w usuwaniu gazu z dysku dominują dżety i wiatry magnetohydrodynamiczne, czyli napędzane przez pola magnetyczne. Wypływy mogą wynosić gaz w przestrzeń, podczas gdy dysk nadal aktywnie zasila młodą gwiazdę. 12

Dla rosnącego jądra planety jest to najbardziej ryzykowny moment wyścigu. Dysk wciąż może zawierać dużo gazu, ale to samo aktywne środowisko zaczyna właśnie ten zapas opróżniać.

Późniejszy etap: słabsze dżety i utrata gazu pod wpływem promieniowania

Gdy tempo akrecji spada, dżety słabną, a ślady gorętszych wiatrów molekularnych zanikają jako pierwsze. Pozostałe wypływy stają się coraz bardziej atomowe. Naukowcy interpretują ten późniejszy stan jako etap, w którym większą rolę w oczyszczaniu rozrzedzonego dysku odgrywa promieniowanie gwiazdy, w tym fotoewaporacja — wywiewanie gazu przez energię promieniowania. 12

Nie oznacza to, że jeden mechanizm nagle zastępuje drugi. Zmienia się raczej ich względne znaczenie w miarę ewolucji układu gwiazda–dysk. Zaobserwowana przemiana pomaga określić, kiedy zachodzi ta zmiana, choć obecne statystyki detekcji nie dostarczają jeszcze pełnego bilansu masy każdego wiatru. 12

Dlaczego jedne układy tworzą gazowe olbrzymy, a inne nie

Wyniki dostarczają fizycznego wyjaśnienia, dlaczego podobne młode układy mogą rozwinąć zupełnie różne architektury planetarne. Gazowy olbrzym może powstać, jeśli jego jądro odpowiednio wcześnie osiągnie wystarczającą masę i rozpocznie gwałtowne przechwytywanie otoczki. W innym układzie dysk może stracić większość gazu, zanim jądro przekroczy ten próg.

Na wynik wpływają między innymi masa dysku, tempo wzrostu jądra, historia akrecji gwiazdy, siła magnetycznych wypływów oraz poziom wysokoenergetycznego promieniowania. Badanie wskazuje, że rozpraszanie dysku przez wiatry jest ważnym elementem tej różnorodności, ale nie jedynym czynnikiem decydującym o powstaniu gazowego olbrzyma. 2

To także pomaga umieścić Układ Słoneczny w odpowiednim kontekście. Ma on obecnie około 4,6 miliarda lat, a jego pierwotny dysk planetotwórczy dawno zniknął. Obecne planety są więc pozostałością krótkotrwałej rywalizacji między ich wzrostem, opadaniem materii na młode Słońce oraz ucieczką gazu przez dżety, wiatry i promieniowanie. 12

Następny krok: zmierzyć, ile gazu naprawdę ucieka

Ustalenie, jakie wypływy pojawiają się na poszczególnych etapach ewolucji, jest ważnym pierwszym krokiem. Sama częstość ich występowania nie mówi jednak jeszcze, czy usunęły one wystarczająco dużo gazu, by kontrolować proces powstawania planet. Zespół chce teraz zmierzyć tempo utraty masy w każdym wietrze oraz określić promienie dysków, z których te wypływy się rozpoczynają. 12

Takie pomiary pozwolą połączyć sygnatury podczerwone z konkretnym pytaniem ilościowym: czy zaobserwowane wypływy mogą usuwać gaz wystarczająco szybko, by zmienić prawdopodobieństwo powstania planety podobnej do Jowisza? Odpowiedź pomoże rozstrzygnąć, czy obserwowana sekwencja ewolucyjna rzeczywiście wyznacza końcową architekturę układów planetarnych, czy na razie jest jedynie przekonującym opisem ich rozwoju.