سیارات درون دیسک‌های گاز و غبار اطراف ستارگان جوان شکل می‌گیرند، اما ذخیره گاز مورد نیاز آن‌ها موقتی است. مشاهدات جدید از تلسکوپ فضایی جیمز وب ناسا (JWST) به ستاره‌شناسان تصویر واضح‌تری از چگونگی فرار این گاز و چگونگی تغییر مکانیسم‌های فرار غالب با بالغ شدن سیستم‌های سیاره‌ای می‌دهد.
این مطالعه، به رهبری نامان باجاج از دانشگاه آریزونا و با همکاری اوما گورتی، دانشمند موسسه SETI، 72 ستاره جوان شبیه به خورشید و دیسک‌های سیاره‌زایی آن‌ها را بررسی کرد. این یکی از بزرگترین مطالعات انجام شده در زمینه شکل‌گیری سیارات با استفاده از JWST است و نشان می‌دهد که انواع مختلف بادها در مراحل مختلف توسعه اولیه یک سیستم غالب هستند.
یافته‌ها در مجله The Astronomical Journal منتشر شده است.
مهلت شکل‌گیری سیارات
گورتی گفت: «نکته هیجان‌انگیز در مورد این مطالعه این است که اکنون می‌توانیم در یک نمونه بزرگ از سیستم‌های جوان ببینیم که مکانیسم‌های حذف گاز از دیسک‌های سیاره‌زایی با گذشت زمان چگونه تغییر می‌کنند. پراکندگی دیسک یک ساعت اساسی برای شکل‌گیری سیارات تعیین می‌کند: هنگامی که گاز از بین برود، فرصت ساختن سیارات غنی از گاز اساساً از بین می‌رود.»
سیستم خورشیدی ما اکنون حدود 4.5 میلیارد سال سن دارد و عمدتاً از فضای خالی تشکیل شده است. با این حال، در طول چند میلیون سال اول، خورشید جوان توسط یک دیسک پیش‌سیاره‌ای متراکم احاطه شده بود که تقریباً 100 برابر بیشتر از غبار گاز داشت. تقریباً تمام این گاز در نهایت از بین رفت.
درک اینکه این مواد چه زمانی و چگونه از دست می‌روند مهم است زیرا گاز برای تشکیل سیارات غول‌پیکری مانند مشتری و زحل ضروری است. اگر یک دیسک گاز خود را خیلی سریع از دست بدهد، سیارات در حال توسعه ممکن است زمان کافی برای جمع‌آوری جوهای عظیمی که برای تبدیل شدن به غول‌های گازی مورد نیاز است، نداشته باشند.
JWST گازهای فراری را ردیابی می‌کند
باجاج و همکارانش این فرآیند را با استفاده از مشاهدات بایگانی شده از ابزار مادون قرمز میانی (MIRI) JWST بررسی کردند. 72 سیستم مراحل مختلفی از توسعه سیاره‌ای را شامل می‌شوند. با هم، آن‌ها چیزی شبیه به یک سری عکس فوری ارائه می‌دهند که به محققان اجازه می‌دهد نحوه تغییر پراکندگی گاز را با رشد سیستم‌ها بازسازی کنند.
در سال 2020، ایلاریا پاسکوچی، استاد LPL و مشاور باجاج، مطالعه مرتبطی را رهبری کرد که به بررسی چگونگی تکامل جت‌ها و بادها می‌پردازد. قبل از JWST، محققان نمی‌توانستند به طور مستقیم هیدروژن مولکولی را مشاهده کنند، اما تیم پیش‌بینی کرد که بادهای مولکولی باید وجود داشته باشند و در مراحل اولیه می‌توانند به اندازه کافی متراکم باشند تا فوتون‌های اشعه ایکس را مسدود کنند. با ردیابی مستقیم هیدروژن مولکولی در مشاهدات جدید، تیم باجاج با تصاویر JWST این پیش‌بینی‌ها را تأیید کرد.
محققان بر روی دو شاخص ماده فراری تمرکز کردند: هیدروژن مولکولی، فراوان‌ترین مولکول در دیسک‌های پیش‌سیاره‌ای، و نئون یونیزه شده. حساسیت و وضوح JWST به آن‌ها اجازه داد تا بادهای گسترده حاوی هیدروژن مولکولی را از جت‌ها و بادهایی که توسط نئون ردیابی می‌شوند، متمایز کنند.
در جوان‌ترین سیستم‌ها، جایی که هنوز ماده در حال سقوط به ستاره مرکزی است، محققان جت‌های قدرتمندی را به همراه بادهای گسترده‌ای حاوی گازهای مولکولی و اتمی تشخیص دادند. این خروجی‌ها با بادهایی سازگار هستند که توسط میدان‌های مغناطیسی عبوری از دیسک ایجاد می‌شوند. گاز می‌تواند در امتداد این خطوط میدان مغناطیسی به سمت بیرون حرکت کند و هم ماده و هم تکانه زاویه‌ای را از دیسک حذف کند.
تابش ستاره‌ای کنترل را به دست می‌گیرد
با بالغ شدن سیستم‌های سیاره‌ای و کاهش جریان ماده به سمت ستاره، جت‌ها ضعیف می‌شوند و گاز فراری به طور فزاینده‌ای اتمی می‌شود. در این مرحله، تابش پرانرژی از ستاره جوان می‌تواند به مواد رقیق شده نفوذ کند و گاز را در دیسک گرم کند تا زمانی که فرار کند. این مکانیسم به عنوان تبخیر ناشی از نور شناخته می‌شود.
گورتی دهه‌ها را صرف بررسی تکامل و پراکندگی دیسک‌های پیش‌سیاره‌ای کرده است، از جمله نقش تابش فرابنفش و اشعه ایکس از ستارگان جوان در ایجاد بادهای تبخیری. مشاهدات اخیر JWST یک ارتباط مشاهده‌ای با آن کار نظری را در ده‌ها سیستم ارائه می‌دهد. آن‌ها نشان می‌دهند که تبخیر ناشی از نور با پیر شدن دیسک‌ها و محو شدن جت‌ها و بادهای ناشی از میدان مغناطیسی مهم‌تر می‌شود.
یافته‌ها نشان می‌دهد که یک مکانیسم واحد مسئول پاک کردن یک دیسک سیاره‌زایی نیست. در عوض، سیستم‌های جوان به نظر می‌رسند با جت‌ها و بادهای قدرتمند ناشی از میدان مغناطیسی شروع می‌شوند و سپس به مرحله‌ای می‌رسند که در آن بادهای اتمی، از جمله آن‌هایی که از طریق تبخیر ناشی از نور تولید می‌شوند، به طور فزاینده‌ای مهم می‌شوند.
این انتقال پیامدهای مهمی برای سیارات در حال توسعه دارد.
باجاج گفت: «بنابراین، شکل‌گیری سیارات یک رقابت با زمان است. غول‌های گازی مانند مشتری باید جوهای عظیم خود را در حالی که دیسک هنوز به اندازه کافی بزرگ است تا آن‌ها را تامین کند، جمع‌آوری کنند، قبل از اینکه بادها و جت‌ها آن ماده خام را به فضا ببرند.»
محققان انتشار گسترده‌ای از هیدروژن مولکولی و نئون یونیزه شده را در 66 مورد از 72 دیسک شناسایی کردند. بادهای مخروطی هیدروژن مولکولی در 46 سیستم ظاهر شد، در حالی که جت‌های سریع نئون در 40 سیستم یافت شد. هر سیستمی که حاوی یک جت نئون بود، شواهدی از یک باد ردیابی شده توسط هیدروژن مولکولی یا اکسیژن نیز نشان داد.
نگاهی گسترده‌تر به نحوه تکامل سیستم‌های سیاره‌ای
این مطالعه بر اساس مشاهدات قبلی از همان گروه تحقیقاتی است. در سال 2024، باجاج و گورتی با استفاده از JWST به تصویربرداری از گازی که از دیسک سیاره‌زایی اطراف ستاره جوان T Cha خارج می‌شود، پرداختند.
آن کار قبلی نشان داد که JWST می‌تواند به طور مستقیم پراکندگی دیسک را در یک سیستم سیاره‌ای بررسی کند. مطالعه جدید این رویکرد را به ده‌ها ستاره جوان گسترش می‌دهد و نشان می‌دهد که چگونه تعادل بین جت‌ها، بادهای مولکولی و بادهای اتمی با افزایش سن سیستم‌های سیاره‌ای تغییر می‌کند.
محققان اکنون می‌خواهند تعیین کنند که این بادها چه مقدار گاز را در طول زمان حذف می‌کنند و شناسایی کنند که ماده فراری از کجا در داخل دیسک منشأ می‌گیرد. این اندازه‌گیری‌ها می‌توانند نه تنها نشان دهند که پنجره فرصت برای شکل‌گیری سیارات چقدر سریع بسته می‌شود، بلکه کدام مناطق یک دیسک قادر به تولید انواع مختلف سیارات قبل از از بین رفتن ذخیره گاز خود هستند.