De James Webb Space Telescope (JWST) helpt wetenschappers ontdekken hoe planeten ontstaan ​​door het begrip van hun geboorteplaatsen en de circumstellaire schijven rond jonge sterren te vergroten.

In een artikel gepubliceerd in The Astronomical Journal , een team van wetenschappers, onder leiding van Naman Bajaj van de Universiteit van Arizona en onder wie Dr. Uma Gorti van het SETI Institute, maakt voor het eerst beelden van winden van een oude planeetvormende schijf (nog erg jong in verhouding tot de zon) die zijn gasinhoud actief verspreiden. Er is al eerder een image gemaakt van de schijf, maar winden van oude schijven niet. Het is belangrijk dat we weten wanneer het gas zich verspreidt, omdat het de resterende tijd beperkt voor opkomende planeten om het gas uit hun omgeving te consumeren.

De kern van deze ontdekking is de observatie van TCha, een jonge ster (ten opzichte van de zon) omgeven door een eroderende schijf die opvalt door zijn enorme stofspleet, met een straal van ongeveer 30 astronomische eenheden. Voor het eerst hebben astronomen het zich verspreidende gas (ook wel wind genoemd) in beeld gebracht met behulp van de vier lijnen van de edelgassen neon (Ne) en argon (Ar), waarvan er één de eerste detectie is in een planeetvormende schijf. De afbeeldingen van [Ne II] laten zien dat de wind uit een uitgestrekt gebied van de schijf komt.

Het team, allemaal lid van een JWST-programma onder leiding van Ilaria Pascucci (Universiteit van Arizona), wil ook weten hoe dit proces plaatsvindt, zodat ze de geschiedenis en de impact op ons zonnestelsel beter kunnen begrijpen.

"Deze winden kunnen worden aangedreven door hoogenergetische stellaire fotonen (het licht van de ster) of door het magnetische veld dat de planeetvormende schijf weeft", zegt Bajaj.

Dr. Gorti van het SETI Instituut doet al tientallen jaren onderzoek naar schijfverspreiding en voorspelde samen met haar collega de sterke argonemissie die JWST nu heeft gedetecteerd. Ze is "opgewonden om eindelijk de fysieke omstandigheden in de wind te kunnen ontwarren en te begrijpen hoe ze lanceren."

Planetaire systemen zoals ons zonnestelsel lijken meer rotsachtige objecten te bevatten dan gasrijke objecten. Rond onze zon zijn dit onder meer de binnenplaneten, de asteroïdengordel en de Kuipergordel. Maar wetenschappers weten al heel lang dat planeetvormende schijven beginnen met 100 keer meer massa in gas dan in vaste stoffen, wat leidt tot een prangende vraag:wanneer en hoe verlaat het grootste deel van het gas de schijf/het systeem?

Tijdens de allereerste stadia van de vorming van planetenstelsels vloeien planeten samen in een draaiende schijf van gas en klein stof rond de jonge ster. Deze deeltjes klonteren samen en vormen steeds grotere brokken die planetesimalen worden genoemd. Na verloop van tijd botsen deze planetesimalen en blijven ze aan elkaar plakken, waardoor uiteindelijk planeten ontstaan. Het type, de grootte en de locatie van de planeten die ontstaan, zijn afhankelijk van de hoeveelheid beschikbaar materiaal en hoe lang het in de schijf blijft. De uitkomst van de planeetvorming hangt dus af van de evolutie en verspreiding van de schijf.

Dezelfde groep voerde in een ander artikel onder leiding van dr. Andrew Sellek van de Sterrewacht Leiden simulaties uit van de verspreiding, aangedreven door stellaire fotonen, om onderscheid te maken tussen de twee. Ze vergelijken deze simulaties met de daadwerkelijke waarnemingen en komen tot de conclusie dat verspreiding door hoogenergetische stellaire fotonen de waarnemingen kan verklaren en daarom niet als mogelijkheid kan worden uitgesloten.

Dr. Sellek beschreef hoe "de gelijktijdige meting van alle vier de lijnen door JWST cruciaal bleek voor het vaststellen van de eigenschappen van de wind en ons hielp aan te tonen dat aanzienlijke hoeveelheden gas worden verspreid."

Om het in context te plaatsen:de onderzoekers berekenen dat de massa die zich elk jaar verspreidt gelijk is aan die van de maan. Een begeleidend artikel, momenteel beoordeeld door The Astronomical Journal , zal deze resultaten gedetailleerd beschrijven.

De [Ne II]-lijn werd voor het eerst ontdekt in de richting van verschillende planeetvormende schijven in 2007 met de Spitzer-ruimtetelescoop en werd al snel geïdentificeerd als een tracer van winden door projectleider Prof. Pascucci aan de Universiteit van Arizona; deze getransformeerde onderzoeksinspanningen waren gericht op het begrijpen van de verspreiding van schijfgas. De ontdekking van ruimtelijk opgeloste [Ne II] en de eerste detectie van [Ar III] met behulp van de JWST zouden de volgende stap kunnen zijn in de richting van het transformeren van ons begrip van dit proces.

‘Meer dan tien jaar geleden hebben we neon voor het eerst gebruikt om planeetvormende schijven te bestuderen, waarbij we onze computersimulaties hebben getest aan de hand van gegevens van Spitzer en nieuwe waarnemingen die we hebben verkregen met de ESO VLT’, zegt professor Richard Alexander van de University of Leicester School of Physics and Astronomie. We hebben veel geleerd, maar door die observaties konden we niet meten hoeveel massa de schijven verloren. De nieuwe JWST-gegevens zijn spectaculair, en het kunnen oplossen van schijfwindingen in afbeeldingen is iets waarvan ik nooit had gedacht dat het mogelijk zou zijn. Nu er nog meer van dit soort waarnemingen zullen volgen, zal JWST ons in staat stellen jonge planetaire systemen te begrijpen als nooit tevoren."

Bovendien heeft de groep ook ontdekt dat de binnenste schijf van T Cha zich ontwikkelt op zeer korte tijdschalen van tientallen jaren; ze ontdekken dat het JWST-spectrum van T Cha verschilt van het eerdere Spitzer-spectrum. Volgens Chengyan Xie van de Universiteit van Arizona, de hoofdauteur van dit nog lopende werk, zou deze mismatch kunnen worden verklaard door een kleine, asymmetrische binnenschijf die in slechts zeventien jaar een deel van zijn massa heeft verloren. Samen met de andere onderzoeken duidt dit er ook op dat de schijf van T Cha aan het einde van zijn evolutie is.

Xie voegt eraan toe:"Misschien kunnen we tijdens ons leven getuige zijn van de verspreiding van alle stofmassa in de binnenste schijf van T Cha."

De implicaties van deze bevindingen bieden nieuwe inzichten in de complexe interacties die leiden tot de verspreiding van gas en stof dat cruciaal is voor de vorming van planeten. Door de mechanismen achter de verspreiding van schijven te begrijpen, kunnen wetenschappers de tijdlijnen en omgevingen die bevorderlijk zijn voor de geboorte van planeten beter voorspellen. Het werk van het team demonstreert de kracht van JWST en zet een nieuwe weg in voor het onderzoeken van de dynamiek van planeetvorming en de evolutie van circumstellaire schijven.

De gegevens die in dit werk zijn gebruikt, zijn verkregen met het JWST/MIRI-instrument via het General Observers Cycle 1-programma PID 2260 (PI:I. Pascucci). Het onderzoeksteam bestaat uit Naman Bajaj (afgestudeerde student), prof. Ilaria Pascucci, dr. Uma Gorti, prof. Richard Alexander, dr. Andrew Sellek, dr. Jane Morrison, prof. Andras Gaspar, prof. Cathie Clarke, Chengyan Xie (afgestudeerde student), Dr. Giulia Ballabio, en Dingshan Deng (afgestudeerde student).

Meer informatie: Naman S. Bajaj et al, JWST MIRI MRS Waarnemingen van T Cha:ontdekking van een ruimtelijk opgeloste schijfwind, The Astronomical Journal (2024). DOI:10.3847/1538-3881/ad22e1

Geleverd door SETI Instituut