Wetenschap
In een ver sterrenstelsel ziet de JWST het einde van de planeetvorming
Elke keer dat een ster wordt gevormd, vertegenwoordigt dit een explosie van mogelijkheden. Niet voor de ster zelf; zijn lot wordt bepaald door zijn massa. De mogelijkheden die het betekent, liggen in de planeten die zich eromheen vormen. Zullen sommige rotsachtig zijn? Bevinden ze zich in de bewoonbare zone? Zal er ooit leven zijn op een van de planeten?
Er is een punt in de ontwikkeling van elk stellair systeem waarop het geen planeten meer kan vormen. Er kunnen zich geen planeten meer vormen omdat er geen gas en stof meer beschikbaar is, en de zich uitbreidende planetaire mogelijkheden worden ingekort. Maar de totale massa van de planeten van een stellair systeem komt nooit overeen met de totale massa aan gas en stof die rond de jonge ster beschikbaar is.
Wat gebeurt er met de massa, en waarom kunnen zich niet meer planeten vormen?
Wanneer een protoster ontstaat in een wolk van moleculair waterstof, gaat deze gepaard met een roterende schijf van gas en stof, de zogenaamde circumstellaire schijf. Terwijl materiaal zich verzamelt in steeds grotere lichamen, vormen planetesimalen en uiteindelijk planeten. Op dat moment wordt de schijf een protoplanetaire schijf genoemd. Maar hoe we het ook noemen, de roterende schijf is het materiaalreservoir waaruit planeten ontstaan.
In ons zonnestelsel zijn er meer rotsachtige objecten dan gasvormige. Niet per massa, maar per aantal. Wetenschappers denken dat systemen die vergelijkbaar zijn met de onze, vergelijkbare aantallen rotsachtige en gasvormige objecten vormen.
Maar in de begindagen van het zonnestelsel was er veel meer gas dan vaste stoffen. Dit is in tegenspraak met het feit dat de schijven rond jonge sterren 100 keer meer gas bevatten dan vaste stoffen. Waar gaat al het gas naartoe?
Nieuw onderzoek gebaseerd op JWST-observaties biedt een antwoord. De studie heet "JWST MIRI MRS Observations of T Cha:Discovery of a Spatially Resolved Disk Wind." Het is gepubliceerd in The Astronomical Journal , en de hoofdauteur is Naman S. Bajaj, een doctoraalstudent aan het Lunar and Planetary Laboratory van de Universiteit van Arizona.
T Chamaelontis (T Cha) is een jonge T Tauri-ster op een afstand van ongeveer 335 lichtjaar. T Tauri-sterren zijn minder dan ongeveer 10 miljoen jaar oud en zijn nog niet in de hoofdreeks opgenomen. Op dit punt in hun ontwikkeling zijn de schijven rond T Tauri-sterren aan het verdwijnen. Het gas in de schijf wordt actief de ruimte in verspreid.
"Weten wanneer het gas zich verspreidt is belangrijk omdat het ons een beter idee geeft van hoeveel tijd gasvormige planeten hebben om het gas uit hun omgeving te consumeren", zegt hoofdauteur Bajaj. “Met ongekende inzichten in deze schijven rondom jonge sterren, de geboorteplaatsen van planeten, helpt JWST ons te ontdekken hoe planeten ontstaan.”
Omdat het type en het aantal planeten dat in een schijf rond een ster wordt gevormd, afhangt van de hoeveelheid gas en stof die beschikbaar is, is het van fundamenteel belang om te weten hoe en wanneer dit zich verspreidt om het uiteindelijke stellaire systeem te begrijpen.
"Dus kort gezegd hangt de uitkomst van de planeetvorming af van de evolutie en verspreiding van de schijf", zei Bajaj.
T Cha is om nog een andere reden opmerkelijk dan zijn jonge leeftijd. De eroderende circumstellaire schijf bevat een enorme stofspleet van ongeveer 30 astronomische eenheden breed. Aan de binnenkant van de opening bevindt zich een smalle ring van materiaal dichtbij de ster, en aan de buitenkant van de opening bevindt zich de rest van het schijfmateriaal. Een planetaire kandidaat bevindt zich in de kloof, maar maakt geen deel uit van dit onderzoek.
De kracht die gas verspreidt, wordt de schijfwind genoemd. In dit onderzoek gebruikten de betrokken wetenschappers de JWST om de schijf te onderzoeken en te ontdekken wat de wind drijft. Dit is de eerste keer dat wetenschappers de schijfwind in beeld hebben gebracht.
Ionisatie speelt een grote rol bij schijfverspreiding. Ionisatie vindt plaats wanneer energetische fotonen van een ster een atoom raken en een of meer elektronen verwijderen. Bij ionisatie van verschillende soorten atomen komt bepaald licht vrij dat de JWST kan zien en dat wetenschappers kunnen gebruiken om de activiteit in de schijf te traceren. In dit onderzoek ontdekte de JWST dat twee edelgassen werden geïoniseerd:argon en neon. De JWST heeft ook dubbel geïoniseerd argon gedetecteerd, de eerste keer dat dit ooit in een schijf is gedetecteerd.
Astronomen weten al tien jaar dat Ne ii schijfwinden traceert. Wetenschappers die met de Spitzer-ruimtetelescoop van NASA werkten, ontdekten dat. Bij T Cha traceert de Ne ii de emissie weg van de schijf, wat compatibel is met een schijfwind.
"De neonsignatuur in onze afbeeldingen vertelt ons dat de schijfwind uit een uitgestrekt gebied weg van de schijf komt", zei Bajaj. "Deze winden kunnen worden aangedreven door hoogenergetische fotonen (in essentie het licht dat uit de ster stroomt) of door het magnetische veld dat door de planeetvormende schijf weeft."
Het is van cruciaal belang om de bron van de ionisatie te begrijpen. Om er dieper op in te gaan, vertrouwden de onderzoekers op simulaties. De onderzoekers simuleerden de intense straling van de jonge ster en vergeleken deze met de JWST-waarnemingen. Er was een goede match waaruit bleek dat de energetische stellaire fotonen de schijfverspreiding kunnen aansturen.
‘Onze ontdekking van ruimtelijk opgeloste neonemissie – en de eerste detectie van dubbel geïoniseerd argon – met behulp van de James Webb-ruimtetelescoop zou de volgende stap kunnen worden in de richting van het transformeren van ons begrip van hoe gas uit een planeetvormende schijf verdwijnt’, zegt Ilaria Pascucci. een professor bij LPL die hielp ontdekken dat neon schijfwinden traceert. "Deze inzichten zullen ons helpen een beter idee te krijgen van de geschiedenis en de impact op ons eigen stellaire systeem."
Als jonge T Tauri-ster verandert T Cha snel. Eerdere waarnemingen van ongeveer 17 jaar geleden met Spitzer lieten een ander spectrum zien dan deze waarnemingen met de JWST. De verschillen kunnen worden verklaard door een kleine binnenschijf van materiaal nabij T Cha, die in de tussenliggende 17 jaar merkbare massa heeft verloren. In specifieke wetenschappelijke termen is de MIRI [Ne ii]-flux 50% hoger dan de Spitzer-flux verkregen in 2006. Toekomstige studies kunnen helpen nog meer licht te werpen op deze diagnostische lijnen voor wind.
Chengyan Xie, een tweedejaars promovendus bij LPL die bij het onderzoek betrokken is, denkt dat we de verspreiding van schijven in realtime gadeslaan en dat de zaken snel zullen blijven veranderen.
"Samen met de andere onderzoeken duidt dit er ook op dat de schijf van T Cha aan het einde van zijn evolutie is", zei Xie. "Misschien kunnen we tijdens ons leven getuige zijn van de verspreiding van alle stofmassa in de binnenste schijf van T Cha."
Het zou kunnen dat de vorming van planeten bij T Cha tot stilstand komt, en de JWST helpt ons dit te zien gebeuren.