W młodych układach planetarnych dochodzi do gwałtownych kolizji dużych skalistych ciał. Zderzenia te rozbijają skały, topią je i częściowo odparowują, pozostawiając po sobie obłoki gorącego pyłu. Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba przyjrzał się grupie układów, w których takie procesy mogą zachodzić wyjątkowo intensywnie.
Obserwacje pomagają astronomom lepiej zrozumieć, jak powstają i ewoluują planety skaliste. Dostarczają też wskazówek dotyczących wydarzeń, które mogły mieć miejsce we wczesnej historii Układu Słonecznego.
Ślady gwałtownych narodzin planet
Planety nie powstają od razu jako gotowe, zwarte globy. Wokół młodej gwiazdy najpierw znajduje się dysk gazu i pyłu. Z czasem jego cząsteczki zaczynają łączyć się w coraz większe skupiska. Powstają ziarna pyłu, kamienie, planetozymale, a następnie zalążki planet.
Proces ten nie przebiega spokojnie. Młode ciała nieustannie oddziałują grawitacyjnie, zmieniają orbity i zderzają się ze sobą. Część kolizji prowadzi do łączenia się obiektów, inne rozbijają je na fragmenty i tworzą ogromne ilości pyłu.
Gdy większość gazu z pierwotnego dysku znika, wokół gwiazdy może pozostać tak zwany dysk szczątkowy. Tworzą go przede wszystkim fragmenty planetoid, planetozymali i młodych planet. W podczerwieni taki dysk może być znacznie jaśniejszy niż wynikałoby to z samego światła gwiazdy, ponieważ drobny pył pochłania promieniowanie i emituje energię w postaci ciepła.
Webb bada ekstremalne dyski szczątkowe
Astronomowie wykorzystali Webba do zbadania 21 ekstremalnych dysków szczątkowych. Część z nich była znana wcześniej dzięki obserwacjom Kosmicznego Teleskopu Spitzera, natomiast pozostałe zostały zaobserwowane przez Webba po raz pierwszy.
Analiza danych ujawniła kilka wspólnych cech tych układów. Pył jest w nich bardzo drobny, znajduje się stosunkowo blisko gwiazdy i może zmieniać jasność w krótkim czasie. Takie właściwości wskazują, że dyski nie są spokojnymi pozostałościami po dawnych procesach. Prawdopodobnie są nieustannie zasilane przez nowe zderzenia.
Webb nie rejestruje jednak samych kolizji w sposób bezpośredni. Astronomowie analizują widmo promieniowania podczerwonego oraz zmiany jasności dysku, a następnie porównują te dane z modelami fizycznymi. Dzięki temu mogą wnioskować o temperaturze pyłu, jego składzie i procesach, które doprowadziły do jego powstania.
Krzemionka zdradza temperaturę
Szczególnie interesujący okazał się skład mineralny pyłu. W części układów wykryto wyraźne sygnatury krzemionki, czyli związku chemicznego obecnego między innymi w wielu skałach budujących planety skaliste.
Obecność dużej ilości krzemionki może świadczyć o bardzo energetycznych zderzeniach. W takich warunkach skały zostają rozgrzane do wysokiej temperatury, częściowo stopione, a nawet odparowane. Później część materiału ponownie się ochładza i tworzy drobne ziarna pyłu.
Według interpretacji zespołu badawczego niektóre z obserwowanych układów mogły doświadczyć kolizji między ciałami o rozmiarach porównywalnych z Księżycem lub Marsem. Nie jest to bezpośredni pomiar wielkości zderzających się obiektów, lecz wniosek oparty na składzie pyłu, jego temperaturze i ilości.
Zderzenia podobne do kolizji Ziemi z Theią
Wyniki przywołują na myśl hipotezę wielkiego zderzenia, zgodnie z którą Księżyc powstał po kolizji młodej Ziemi z obiektem wielkości Marsa, nazywanym Theią. W wyniku tego wydarzenia na orbitę trafiła część materii, z której później uformował się Księżyc.
Obserwowane przez Webba układy nie są oczywiście bezpośrednim zapisem tamtego wydarzenia. Mogą jednak stanowić naturalne laboratoria, w których astronomowie badają podobne procesy zachodzące wokół innych gwiazd.
W około jednej trzeciej analizowanych układów wykryto szczególnie silne sygnatury krzemionki. Dyski te znajdują się wokół bardzo młodych gwiazd, młodszych niż około 300 milionów lat. Może to oznaczać, że najbardziej energetyczne zderzenia zachodzą głównie na wczesnym etapie ewolucji układu planetarnego, gdy jego architektura nie jest jeszcze ustabilizowana.
Pozostałe dyski wykazują słabsze sygnatury krzemionki, ale często zmieniają jasność w czasie. Ich właściwości mogą wskazywać na mniej gwałtowne kolizje, zderzenia skośne albo ciąg następujących po sobie wydarzeń, które stopniowo dostarczają nowego pyłu.
Dlaczego te obserwacje są ważne?
Formowanie planet skalistych jest procesem trudnym do obserwowania. Ziemia, Wenus czy Mars powstały miliardy lat temu, dlatego astronomowie nie mogą śledzić ich narodzin bezpośrednio. Mogą jednak badać młode układy wokół innych gwiazd i porównywać ich właściwości z przewidywaniami modeli.
Ekstremalne dyski szczątkowe pokazują, że kolizje dużych ciał mogą silnie zmieniać środowisko młodych planet. Zderzenia wpływają na skład powierzchni, ilość pyłu w układzie oraz tempo, w jakim poszczególne obiekty rosną albo rozpadają się na fragmenty.
Dalsze obserwacje Webba powinny pomóc ustalić, jak często występują takie układy i jak długo utrzymują się w nich ślady wielkich kolizji. Porównanie danych z różnych długości fal pozwoli również lepiej określić rozmiary ziaren pyłu, ich skład mineralny i odległość od gwiazdy.
Dzięki temu astronomowie będą mogli dokładniej odtworzyć historię młodych układów planetarnych – od pierwszych zderzeń planetozymali po powstanie bardziej uporządkowanego systemu planet.
Źródła
Główne źródło:
Źródła kontekstowe:
- NASA Science, NASA’s Webb Provides Crash Course on Planet-Shattering Collisions,
- Space Telescope Science Institute, komunikat dotyczący obserwacji ekstremalnych dysków szczątkowych,
- NASA Science, materiały o możliwościach Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba.
- NASA Science, informacje o dyskach szczątkowych i powstawaniu układów planetarnych.
Opracowanie: Agnieszka Nowak
