James Webb visar en kapplöpning mot tiden för planetbildning

En skiva som gradvis töms på gas

När en ung stjärna föds omges den ofta av en roterande skiva av gas och stoft. Det är i den miljön som planeter kan växa fram. Men skivan är inte stabil för evigt: gas försvinner genom vindar och utflöden, vilket gör planetbildningen till en kapplöpning mot tiden.

En ny studie av arkiverade observationer från James Webb-teleskopets instrument MIRI undersökte 72 lutande, huvudsakligen så kallade klass II-skivor. Forskarna kunde särskilja utstrålning från molekylärt väte och joniserat neon i 66 system. De identifierade koniska H₂-vindar i 46 skivor och höghastighetsjets i [Ne II] i 40. 3

Resultaten visar att olika mekanismer dominerar under olika faser av stjärnsystemets tidiga utveckling.

Först kraftiga magnetiska utflöden

I de yngre systemen, där mycket material fortfarande faller in mot stjärnan, syns ofta både breda vindar av molekylärt väte och snabba, sammanhållna neonjets. Det stämmer med bilden av magnetohydrodynamiska utflöden: gas accelereras längs stjärnans och skivans magnetfält och slungas ut från systemet. 35

Molekylärt väte fungerar som spårämne för den bredare, molekylära vinden. Neon syns däremot först tydligt i den snabbare jetstrålen. Andra JWST-observationer har på liknande sätt visat en smal och snabb jet inuti ett bredare och långsammare utflöde av molekylärt väte. 7

De tidiga vindarna är tillräckligt kraftiga för att avlägsna stora mängder material och samtidigt skärma skivans yta från stjärnans röntgen- och ultravioletta strålning. 2

Sedan tar atomära vindar över

När materialtillförseln till stjärnan minskar avtar också de snabbaste [Ne II]-jetsen och H₂-vindarna. De hetare H₂-komponenterna bleknar snabbare än de svalare. I system med låg ackretion syns i stället oftare långsammare [Ne II]-utflöden och atomära vindar. 3

Det tyder på ett evolutionärt skifte. Efter några miljoner år har de magnetiskt drivna jetsen och de molekylära vindarna försvagats så mycket att stjärnans röntgen- och ultravioletta strålning lättare når skivans yta. Strålningen värmer gasen tills den kan lämna skivan i en så kallad fotoavdunstning – en jämförelsevis mild, atomär vind. 23

Studien beskriver alltså en sekvens där kraftiga molekylära och atomära utflöden dominerar tidigt, följda av svagare och sannolikt främst fotoavdunstningsdrivna vindar som rensar bort den kvarvarande gasen. Tillsammans skapar processerna en kort ”klocka” för skivans upplösning.

Därför är tidpunkten avgörande för gasjättar

En planet som ska bli något i stil med Jupiter behöver en tillräckligt massiv gasskiva för att kunna samla på sig ett hölje av väte och helium. När jets, magnetiska vindar och senare fotoavdunstning har tömt gasreservoaren kan en fast kärna inte längre växa till en gasjätte. 2

Det innebär att tidpunkten för kärnbildningen spelar stor roll. En kärna som blir massiv tidigt kan utlösa snabb gasinfångning och utvecklas till en jätteplanet. En likadan kärna som blir färdig senare kan möta en utarmad eller nästan gasfri skiva och förbli mindre, med en betydligt tunnare ursprunglig atmosfär. Detta är en slutsats utifrån den observerade utvecklingssekvensen – inte en direkt observation av planeter som byter kategori. 23

För vårt eget solsystem, som är omkring 4,5–4,6 miljarder år gammalt, antyder resultaten att den unga solen sannolikt gick igenom samma tidiga fas med magnetiska vindar och senare fas med fotoavdunstning. Jupiter måste därför ha samlat på sig sitt omfattande gashölje under de första miljoner åren, innan den ursprungliga solnebulosan skingrades. 2

Hur mycket gas försvinner egentligen?

Undersökningen visar hur utflödenas förekomst och form förändras, men den mäter ännu inte fullt ut hur stora mängder gas varje vind faktiskt för bort. För att fastställa det behövs fler observationer med både rumslig och hastighetsupplösning av molekylära och atomära spårämnen. Forskarna behöver bland annat avgöra:

• hur mycket massa varje jet eller vind transporterar;
• vilka avstånd från stjärnan och vilka höjdlager i skivan som matar utflödena;
• vindarnas temperaturer, hastigheter och utveckling; samt
• den verkliga tidskala för gasförlusten som avgör när fönstret för gasjättebildning stängs. 34

Materialet ger därför stöd för en snabb utveckling av planetbildande skivor, men inte för en exakt, universell tidsgräns för när alla skivor töms eller för en bestämd massförlust per vindkomponent.