James Webb Space Telescope (JWST) hjälper forskare att avslöja hur planeter bildas genom att öka förståelsen för deras födelseplatser och de cirkumstellära skivorna som omger unga stjärnor.
I en artikel publicerad i The Astronomical Journal , ett team av forskare, ledda av Naman Bajaj från University of Arizona och inklusive Dr. Uma Gorti vid SETI Institute, bilder för första gången vindar från en gammal planetbildande skiva (fortfarande mycket ung i förhållande till solen) som är aktivt sprider dess gasinnehåll. Disken har avbildats tidigare, men vindar från gamla diskar har inte gjort det. Att veta när gasen sprids är viktigt, eftersom det begränsar den tid som återstår för begynnande planeter att konsumera gasen från omgivningen.
Kärnan i denna upptäckt är observationen av TCha, en ung stjärna (i förhållande till solen) omsluten av en eroderande skiva som är anmärkningsvärd för sitt stora dammgap, cirka 30 astronomiska enheter i radie. För första gången har astronomer avbildat den spridande gasen (alias vindar) med hjälp av de fyra linjerna av ädelgaserna neon (Ne) och argon (Ar), varav en är den första upptäckten i en planetbildande skiva. Bilderna av [Ne II] visar att vinden kommer från ett utsträckt område av skivan.
Teamet, som alla är medlemmar i ett JWST-program som leds av Ilaria Pascucci (University of Arizona), är också intresserade av att veta hur denna process äger rum så att de bättre kan förstå historien och påverkan på vårt solsystem.
"Dessa vindar kan drivas antingen av högenergiska stjärnfotoner (stjärnans ljus) eller av magnetfältet som väver den planetbildande skivan", sa Bajaj.
Dr Gorti från SETI-institutet har bedrivit forskning om diskspridning i decennier, och tillsammans med sin kollega förutspådde hon den starka argonutsläpp som JWST nu har upptäckt. Hon är "exalterad över att äntligen kunna reda ut de fysiska förhållandena i vinden för att förstå hur de startar."
Planetsystem som vårt solsystem verkar innehålla mer steniga föremål än gasrika. Runt vår sol inkluderar dessa de inre planeterna, asteroidbältet och Kuiperbältet. Men forskare har länge vetat att planetbildande skivor börjar med 100 gånger mer massa i gas än i fasta ämnen, vilket leder till en angelägen fråga:När och hur lämnar det mesta av gasen skivan/systemet?
Under de mycket tidiga stadierna av planetsystembildningen sammansmälter planeterna i en snurrande skiva av gas och litet damm runt den unga stjärnan. Dessa partiklar klumpar ihop sig och byggs upp till större och större bitar som kallas planetesimals. Med tiden kolliderar dessa planetesimaler och håller ihop och bildar så småningom planeter. Typen, storleken och placeringen av planeter som bildas beror på mängden tillgängligt material och hur länge det finns kvar i skivan. Så, resultatet av planetbildning beror på skivans utveckling och spridning.
Samma grupp, i en annan artikel ledd av Dr Andrew Sellek från Leiden Observatory, utförde simuleringar av spridningen som drivs av stjärnfotoner för att skilja mellan de två. De jämför dessa simuleringar med de faktiska observationerna och finner att spridning av stjärnfotoner med hög energi kan förklara observationerna och därför inte kan uteslutas som en möjlighet.
Dr. Sellek beskrev hur "den samtidiga mätningen av alla fyra linjerna av JWST visade sig vara avgörande för att fastställa vindens egenskaper och hjälpte oss att visa att betydande mängder gas sprids."
För att sätta det i sitt sammanhang, beräknar forskarna att massan som sprids varje år är likvärdig med månens. Ett följeslag som för närvarande granskas av The Astronomical Journal , kommer att beskriva dessa resultat.
[Ne II]-linjen upptäcktes först mot flera planetbildande skivor 2007 med Spitzer Space Telescope och identifierades snart som ett spår av vindar av projektledaren Prof. Pascucci vid University of Arizona; detta förändrade forskningsarbete fokuserade på att förstå diskgasspridning. Upptäckten av rumsligt löst [Ne II] och den första upptäckten av [Ar III] med JWST kan bli nästa steg mot att förändra vår förståelse av denna process.
"Vi använde först neon för att studera planetbildande skivor för mer än ett decennium sedan, och testade våra beräkningssimuleringar mot data från Spitzer och nya observationer som vi fick med ESO VLT", säger professor Richard Alexander från University of Leicester School of Physics och Astronomi. Vi lärde oss mycket, men de observationerna tillät oss inte att mäta hur mycket massa skivorna förlorade. De nya JWST-data är spektakulära, och att kunna lösa diskvindar i bilder är något jag aldrig trodde skulle vara möjligt. Med fler observationer som denna kommer JWST att göra det möjligt för oss att förstå unga planetsystem som aldrig förr."
Dessutom har gruppen också upptäckt att T Chas inre skiva utvecklas på mycket korta tidsskalor av decennier; de finner att T Chas JWST-spektrum skiljer sig från det tidigare Spitzer-spektrumet. Enligt Chengyan Xie vid University of Arizona, huvudförfattaren till detta pågående arbete, kan denna obalans förklaras av en liten, asymmetrisk inre skiva som har förlorat en del av sin massa på bara 17 år. Tillsammans med de andra studierna antyder detta också att skivan av T Cha är i slutet av sin utveckling.
Xie tillägger, "Vi kanske kan bevittna spridningen av all dammmassa i T Chas inre skiva under vår livstid."
Implikationerna av dessa fynd ger nya insikter om de komplexa interaktioner som leder till spridningen av gas och stoft som är avgörande för planetbildning. Genom att förstå mekanismerna bakom diskspridning kan forskare bättre förutsäga tidslinjerna och miljöerna som bidrar till planeternas födelse. Teamets arbete visar kraften hos JWST och sätter en ny väg framåt för att utforska dynamiken för planetbildning och utvecklingen av cirkumstellära skivor.
De data som användes i detta arbete erhölls med JWST/MIRI-instrumentet genom General Observers Cycle 1-programmet PID 2260 (PI:I. Pascucci). I forskargruppen ingår Naman Bajaj (doktorand), Prof. Ilaria Pascucci, Dr. Uma Gorti, Prof. Richard Alexander, Dr. Andrew Sellek, Dr. Jane Morrison, Prof. Andras Gaspar, Prof. Cathie Clarke, Chengyan Xie (examen). student), Dr. Giulia Ballabio och Dingshan Deng (doktorand).
Mer information: Naman S. Bajaj et al, JWST MIRI MRS Observationer av T Cha:Discovery of a Spatally Resolved Disk Wind, The Astronomical Journal (2024). DOI:10.3847/1538-3881/ad22e1
Tillhandahålls av SETI Institute
