Телескоп JWST досліджує таємниці газових планет

Можна стверджувати, що одним із найбільш заплутаних аспектів нашої Сонячної системи є той факт, що не кожна планета є гарною твердою скелею, як Земля. Деякі буквально, майже повністю, зроблені з газу. Ви не можете точно «стояти» будь-де на Юпітері, якщо вам не вдасться провалитися крізь його газові шари та вижити під нереальним тиском, перш ніж пробитися до потенційно скелястого ядра світу з помаранчевими смугами. Це не ідеально.

Навіть творцям науково-фантастичних відеоігор іноді важко зобразити, як це було б подолати один із цих світів. Перше, що я спробував зробити після того, як отримав певну свободу в грі Starfield для Xbox, це посадити свій корабель на симуляцію Нептуна, просто щоб побачити, що станеться. Гра цього не дозволила. Зайве говорити, що таємниця масивних газових куль також дуже інтригує вчених. І тепер, коли у них є неймовірно потужні інфрачервоні очі космічного телескопа Джеймса Вебба, вони встановлюють космічний інструмент на корпус. 

Буквально минулого тижня одна команда оголосила, що може мати деякі оновлення щодо динаміки утворення газових гігантів завдяки JWST. Точніше кажучи, дослідники кажуть, що вони почали досягати успіхів у відповіді на питання про те, скільки часу газові гіганти, ймовірно, мають утворитися навколо своїх зірок, перш ніж весь газ навколо цих зірок зникне.

Команда використовувала JWST, щоб дослідити те, що (трохи заплутано) відомо як «дисковий вітер». Це насправді не стосується вітру, як ви можете собі уявити. Швидше, це стосується процесу виходу газу з диска навколо зірки. Цей «диск» буде заповнений різними типами матеріалу, який потенційно може породжувати планети. Тому він інакше відомий як «протопланетний диск».

«Ми знали, що вони існують і що вони можуть відігравати важливу роль в еволюції диска», — сказав Space.com Наман Баджай, провідний автор нового аналізу дискового вітру та науковий співробітник Лабораторії місячних і планет Університету Арізони. «Чого ми не знали, так це основної фізики і, як наслідок, скільки маси втрачається. Це ключ до відповідей на всі наші запитання щодо її впливу».

Такий диск також міститиме негазоподібні уламки, щоб було зрозуміло, як пил, який може з часом об’єднатися, щоб створити кам’янисті планети. Вважається, що саме так колись утворилася Земля.

«З назви я можу лише підозрювати, що це через його «повільну» швидкість», — сказав Баджадж. Він пояснює, що дисковий вітер, який вивчала команда, рухається зі швидкістю приблизно 10-15 кілометрів (6-9 миль) на секунду. Швидко рухаються газові структури, з іншого боку, зазвичай називають «струменями». Вони можуть розвивати швидкість понад 100 кілометрів (62 милі) за секунду. 

Хоча Баджай та його колеги не дали остаточної, чітко підтвердженої відповіді щодо того, скільки часу має сформуватися газові планети, перш ніж газ у протопланетному диску повністю вичерпається, він все ж запропонував приблизну точку зору на основі своїх розрахунків. «Враховуючи газову масу в цьому диску та припускаючи, що газ продовжуватиме виходити з такою постійною швидкістю, яку ми знаходимо — приблизно одна маса місяця щороку — це займе приблизно 100 000 років», — підрахував він.

Так, це звучить як довгий (довгий) час. Але, як підкреслив Баджай, це неймовірно короткий часовий проміжок з точки зору астрономії: «Протопланетний диск живе приблизно п’ять-десять мільйонів років!»

Як знайти вільний диск 

Перший крок у розв’язанні руху дискового вітру – це просто знайти об’єкт дискового вітру. А щоб знайти предмет диска-вітру, потрібно, звичайно, знайти протопланетний диск. 

Наша Сонячна система не підійде для такого аналізу, тому що всі наші планети повні, включаючи загазовані. Таким чином, ціль команди з дискового вітру виявилася такою, що пов’язана з диском навколо молодої зірки з малою масою під назвою T Cha. Чесно кажучи, це зірка, яка сама по собі надзвичайно цікава. Відомо, що блискуче тіло, яке знаходиться приблизно в 350 світлових роках від Землі, має великий пиловий проміжок у своєму диску. Цей пиловий зазор – це саме те, що це звучить. 

«Вважається, що ці проміжки створені планетами, оскільки вони споживають увесь матеріал на своєму шляху, обертаючись навколо зірки», — сказав Баджадж. 

Таким чином, такий проміжок свідчить про те, що навколо зірки дійсно є планети, що починають розвиватися, і вона достатньо стара, щоб ці зароджувані світи встигли з’їсти частину самого диска. «Ми також називаємо це перехідним етапом», — сказав Баджай. «Він переходить від протопланетного диска до структури, більш схожої на сонячну систему». Крім того, попередні наземні спостереження, пояснює Баджай, припустили, що в диску є неон, який по суті вказує на те, як газ диска повільно виходить. Більше про це незабаром. 

Так що відмінний дисковий предмет був у руках. Наступним кроком було почати робити деякі спостереження, щоб побачити, що відбувається навколо T Cha. 

Газоподібне благородство

Неон — благородний газ, який є категорією елементів, представлених атомами з повністю заповненими зовнішніми електронними оболонками, або валентними оболонками. Просто через цю особливість валентної оболонки ці гази дуже нереакційноздатні. Однак вони все ще можуть втратити один із цих зовнішніх електронів, якщо піддадуться досить високій температурі. Якби це сталося, газ став би «іонізованим» або електрично зарядженим. 

Оскільки електрони мають негативний заряд, втрата одного з них робить раніше нейтральний атом трохи більш позитивним. Отримання додаткового електрона так само зробить раніше нейтральний атом трохи більш негативним. Але, що важливо для астрономів, коли іонізація таким чином відбувається десь у Всесвіті, залишається сигнатура, яку може відстежити їхнє обладнання. Це включає космічний телескоп Джеймса Вебба. 

І, як пояснює Баджай, підпис неону особливо особливий для відстеження вітру диска.

По-перше, деякі гази, швидше за все, існують у протопланетних дисках. Легкий неон — один з них. «Для більш важких благородних газів їх кількість дуже низька, тому ми їх не побачимо», — пояснив Баджай. 

По-друге, іонізація відбувається по-різному для різних елементів. Іноді потрібна дуже висока температура, щоб виштовхнути електрон з атома; в інших випадках електрони виходять більш охоче і роблять це при нижчих температурах. 

«Гелій, який міститься набагато більше, ніж будь-який із цих [благородних газів], потребує значно вищої температури для іонізації», — сказав Баджадж. 

Проте неон, з іншого боку, викине електрон за більш скромних вимог до температури — саме тому команда шукала саме лінії випромінювання неону, щоб побачити, як газ розвивається в протопланетному диску T Cha. Словом, знайшли двох.

«Коли ми вперше побачили спектр — мій перший тиждень навчання в аспірантурі — ми побачили, що обидві неонові лінії процвітають!» Баджай зауважив, додавши, що одну з цих ліній насправді ніколи раніше не бачили поблизу Т Ча. «Ми з’ясували, що неон надходить далеко від зірки, дивлячись на нього за допомогою JWST».

«Я провів багато місяців, намагаючись з’ясувати за зображеннями, чи можемо ми побачити структуру випромінювання неону; це було дуже важко», — сказав Баджай. Він пояснив, що минуло приблизно вісім місяців, перш ніж він зміг підтвердити за допомогою зображень JWST, що структура насправді була там.