تولد سیارات در دنیایی از گاز و گرد و غبار
سیارات در دیسک‌هایی از گاز و گرد و غبار که دور ستاره‌های جوان شکل می‌گیرند، متولد می‌شوند. اما منبع گاز مورد نیاز برای این فرآیند، موقتی است. مشاهدات جدید از تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) به اخترشناسان کمک کرده تا تصویر روشنی از نحوه فرار این گاز و تغییر مکانیزم‌های فرار آن در مراحل مختلف شکل‌گیری سیارات داشته باشند.
این مطالعه که به رهبری نامان باجاج از دانشگاه آریزونا انجام شده و با همکاری دانشمندی از مؤسسه SETI، اوا گورتی، نوشته شده، ۷۲ ستاره جوان مشابه خورشید و دیسک‌های پروتو سیاره‌ای آنها را بررسی کرده است. این تحقیق یکی از بزرگ‌ترین مطالعات انجام شده در زمینه تشکیل سیارات با JWST محسوب می‌شود و نشان می‌دهد که انواع مختلف بادها در مراحل مختلف توسعه اولیه یک سیستم، غالب هستند.
گورتی در این باره می‌گوید: “آنچه در این مطالعه هیجان‌انگیز است این است که اکنون می‌توانیم در یک نمونه بزرگ از سیستم‌های جوان، ببینیم که چگونه مکانیزم‌های حذف گاز از دیسک‌های تشکیل سیاره با گذشت زمان تغییر می‌کند. پراکندگی دیسک یک ساعت اساسی برای تشکیل سیارات تعیین می‌کند: وقتی گاز تمام می‌شود، فرصت ساخت سیارات غنی از گاز عملاً به پایان می‌رسد.”
نقش گاز در تشکیل سیارات غول‌پیکر
سیاره منظومه شمسی ما حدود ۴.۵ میلیارد سال پیش شکل گرفته و عمدتاً از فضای خالی تشکیل شده است. با این حال، در چند میلیون سال اول، خورشید جوان ما محاصره شده بود توسط دیسکی چگال که حدود ۱۰۰ برابر بیشتر از گرد و غبار گاز داشت. تقریباً تمام این گاز در نهایت ناپدید شد.
درک زمان و نحوه از دست رفتن این ماده اهمیت زیادی دارد زیرا گاز برای تشکیل سیارات غول‌پیکری مانند مشتری و زحل ضروری است. اگر دیسک گاز خود را خیلی سریع از دست بدهد، سیارات در حال توسعه زمان کافی برای جمع‌آوری اتمسفرهای عظیم مورد نیاز برای تبدیل شدن به سیارات غول‌پیکر نخواهند داشت.
باجاج و همکارانش این فرآیند را با استفاده از مشاهدات آرشیوی از ابزار مید-اینفرارد جیمز وب (MIRI) بررسی کردند. این ۷۲ سیستم مراحل مختلف توسعه سیاره‌ای را پوشش می‌دهند و به محققان اجازه می‌دهند تا توالی‌ای از عکس‌ها را بازسازی کنند و ببینند که چگونه پراکندگی گاز با افزایش سن سیستم‌ها تغییر می‌کند.
پیشرفت‌های جدید در مشاهدات
در سال ۲۰۲۰، پروفسور ایلاریا پاسکوتی، نویسنده دوم این مقاله و مشاور باجاج، مطالعه‌ای مرتبط را رهبری کرد که به بررسی چگونگی تکامل جت‌ها و بادها پرداخت. قبل از JWST، محققان قادر به مشاهده مستقیم هیدروژن مولکولی نبودند، اما تیم پیش‌بینی کرد که بادهای مولکولی باید وجود داشته باشند و در مراحل اولیه به اندازه‌ای چگال باشند که فوتون‌های ایکس را مسدود کنند.
با ردیابی مستقیم هیدروژن مولکولی در مشاهدات جدید، تیم باجاج این پیش‌بینی‌ها را با تصاویر JWST تأیید کرد. آنها بر دو نشانگر ماده فرار تمرکز کردند: هیدروژن مولکولی، که فراوان‌ترین مولکول در دیسک‌های پروتو سیاره‌ای است، و نئون یونیده.
حساسیت و وضوح JWST به آنها اجازه داد تا بادهای وسیع حاوی هیدروژن مولکولی را از جت‌ها و بادهایی که توسط نئون ردیابی می‌شوند، تمییز دهند. در سیستم‌های جوان‌تر، جایی که ماده هنوز به ستاره مرکزی می‌ریزد، دانشمندان جت‌های قوی و بادهای وسیع حاوی گاز مولکولی و اتمی را شناسایی کردند.
این خروجی‌ها با بادهای تولید شده توسط میدان‌های مغناطیسی که از طریق دیسک عبور می‌کنند، سازگار است. گاز می‌تواند به سمت خطوط میدان مغناطیسی حرکت کند و مواد و تکانه زاویه‌ای را از دیسک خارج کند. با بلوغ سیستم‌های سیاره‌ای و کاهش جریان مواد به سمت ستاره، جت‌ها ضعیف‌تر شده و گاز فرار به طور فزاینده‌ای اتمی می‌شود.
در این مرحله، تابش پر انرژی از ستاره جوان می‌تواند به مواد نازک شده نفوذ کرده و گاز در دیسک را تا حدی گرم کند که فرار کند. این مکانیزم به نام تبخیر نوری شناخته می‌شود. گورتی دهه‌ها به بررسی تکامل و پراکندگی دیسک‌های پروتو سیاره‌ای پرداخته و نقش تابش فرابنفش و ایکس از ستاره‌های جوان در راه‌اندازی بادهای تبخیر نوری را مطالعه کرده است.
مشاهدات جدید JWST یک ارتباط مشاهداتی با این کار نظری در ده‌ها سیستم فراهم می‌کند و نشان می‌دهد که تبخیر نوری با افزایش سن دیسک‌ها اهمیت بیشتری پیدا می‌کند و جت‌ها و بادهای مغناطیسی کاهش می‌یابند.
