Webbův teleskop přináší rychlokurz o srážkách, které rozbíjí planety

V rané historii Sluneční soustavy narazilo do mladé Země těleso o velikosti Marsu zvané Theia, což vedlo k vypaření obrovského množství hornin a jejich vymrštění do vesmíru. Část tohoto materiálu se následně zformovala do podoby Měsíce. Astronomové nyní využili Vesmírný dalekohled Jamese Webba (JWST) ke zkoumání skupiny mladých hvězdných systémů, které vykazují známky podobných dramatických událostí, což umožňuje odhadnout množství energie uvolněné při těchto srážkách. Výsledky poskytují nové poznatky o složení a vývoji těchto systémů.

Prostředí v okolí hvězdy se v průběhu jejího stárnutí mění – začíná u mladého, na plyn bohatého protoplanetárního disku, v němž se mohou formovat planety, a končí u disku trosek (tzv. debris disc) s nízkým obsahem plynu. Již vyřazený Spitzerův vesmírný dalekohled během své mise podrobně zkoumal právě fázi disku trosek a objevil podskupinu označovanou jako „extrémní disky trosek“. Tyto systémy obsahují neobvykle velké množství teplého prachu v blízkosti hvězdy, tedy v oblasti srovnatelné s tou, kde v naší Sluneční soustavě obíhají kamenné planety. Tým astronomů vedený Kate Suovou ze Space Science Institute v Boulderu (stát Colorado) tyto fascinující objekty zkoumal právě pomocí Webbova dalekohledu.

Zjištění tohoto týmu byla publikována v časopise The Astrophysical Journal.

Navzdory teoretickým předpovědím, podle nichž bychom měli pozorovat mnoho „extrémních“ disků trosek, ukazují výsledky pozorování, že tyto útvary jsou vzácné. Na základě dosud shromážděných dat vědci odhadují, že pozorovatelné známky této vývojové fáze vykazuje zhruba jen 1 % mladých hvězd – přičemž do této kategorie možná v době svého vzniku spadala i Sluneční soustava. I přes jejich vzácnost se týmu podařilo sestavit soubor 21 extrémních disků trosek; pět z nich pochází z archivních dat teleskopu Spitzer a 16 z pozorování teleskopem JWST (zahrnujících 12 nově pozorovaných disků a doplňková pozorování čtyř disků původně zachycených Spitzerem).

„Poprvé se nám podařilo shromáždit dostatek systémů k tomu, abychom skutečně porozuměli této podskupině, kterou označujeme jako extrémní disky trosek,“ uvedla Suová, hlavní autorka studie. „Před érou teleskopu JWST jsme měli jen omezené informace. Věděli jsme, že jsou tyto disky zvláštní a velmi odlišné od typických chladných disků trosek, jaké známe například u hvězd Vega a Fomalhaut. Nyní, když máme k dispozici více dat, můžeme přesněji určit, jaký význam mají tyto disky pro vznik a vývoj planet.“

Tým potvrdil, že extrémní disky s troskami sdílejí tři klíčové vlastnosti: menší prachová zrna než v protoplanetárních nebo klasických discích s troskami, vysokou koncentraci teplého prachu a nepravidelné změny jasnosti, což vše odhalila spektra střední infračervené oblasti od JWST a observatoře Spitzer.

Aby tým určil hnací faktor těchto vlastností, studoval mineralogické složení disků. Zjistili, že jejich vzorek lze rozdělit na disky bohaté na oxid křemičitý a disky chudé na oxid křemičitý. Sopečné sklo, jako je obsidián, je jedním z příkladů materiálu bohatého na oxid křemičitý, který se nachází na Zemi, zatímco minerál forsterit chudý na oxid křemičitý se jeví jako zelená písková zrna. Kategorie disku s extrémními troskami poskytuje informace o typu srážek, které způsobují vznik trosek, a může pomoci vysvětlit jeho variabilitu v infračervené jasnosti.

„Pro mě bylo nejvíce vzrušující už jen to, že jsme pomocí teleskopu JWST mohli pozorovat jejich emise ve střední infračervené oblasti a nádherné spektrální rysy, které nám umožnily určit jejich složení,“ uvedla Agnes Kospalová z Konkolyho observatoře v Budapešti, která je spoluautorkou studie. „Nemáme jiný způsob, jak tyto planetární zárodky přímo zkoumat, protože jsou příliš malé.“

Přibližně třetina zkoumaných objektů vykazuje vysoký obsah křemene, což naznačuje, že tyto disky vznikají při vysoce energetických srážkách těles o velikosti Marsu, při nichž se značná část materiálu vypaří. Zbývající dvě třetiny vzorku obsahují křemene málo, což ukazuje na srážky menšího rozsahu – například na tzv. tečné srážky – mezi objekty o velikosti Měsíce. Disky bohaté na křemen se vyskytují pouze u hvězd mladších než 300 milionů let, zatímco disky s nízkým obsahem křemene přetrvávají v širokém věkovém rozmezí a často vykazují větší proměnlivost jasnosti. Tým se domnívá, že tato proměnlivost je způsobena rychlým orbitálním a kolizním vývojem čerstvých úlomků vzniklých při opakovaných srážkách.

Jejich zjištění lze vztáhnout i na Sluneční soustavu, která možná prošla více než jednou fází, kdy ji obklopoval extrémní disk úlomků.

„Způsob vzniku kamenných planet a vývoje obřích planet je součástí širšího příběhu o vzniku Sluneční soustavy – vše to tvoří jeden celek,“ uvedla Suová. „Náš výzkum extrémních prachových disků nám pomáhá sestavit ucelený obraz našich současných poznatků.“

Simulace naznačují, že terestrické planety, jako je Země, by se měly zformovat během prvních několika set milionů let existence Sluneční soustavy. Toto období odpovídá stáří dosud pozorovaných extrémních prachových disků bohatých na křemičitany a je v souladu s odhadem, že Země a Měsíc vznikly přibližně 100 milionů let po vzniku Slunce, přičemž Měsíc pravděpodobně vznikl v důsledku srážky Země s tělesem o velikosti Marsu.

Pokud jde o to, zda naše Slunce prošlo extrémní fází disku s nízkým obsahem oxidu křemičitého, pokud starší disky s nízkým obsahem oxidu křemičitého a jejich náhodné intervaly infračervené jasnosti skutečně odrážejí orbitální nestabilitu, bylo by to v zásadě v souladu s hypotézou pozdního těžkého bombardování pro naši Sluneční soustavu. V tomto scénáři se plynní obři pohybovali ve značné vzdálenosti, gravitačně narušovali oběžné dráhy menších těles a spouštěli katastrofické srážky, které generovaly krátkodobé fáze bohaté na prach pozorované v extrémních discích s troskami.

„Samozřejmě o těchto discích stále mnoho věcí nevíme,“ řekl Attila Moor z observatoře Konkoly, spoluautor studie. „Mezi staršími extrémními disky s troskami neočekáváme žádné systémy bohaté na oxid křemičitý. V našem vzorku máme pouze tři disky, které splňují toto věkové kritérium, takže bude nutné pozorovat více těchto systémů, abychom naši hypotézu potvrdili.“

Zdroj: https://esawebb.org/news/weic2618/

autor: František Martinek