جیمز وب و راز فرار گاز از دیسک های سیاره ساز جوان

ستاره‌ای نوزاد را تصور کنید که مواد خام لازم برای ساخت سیاره‌ها را بیرون می‌دمد و سپس همان مواد را در حال ناپدید شدن می‌بیند. بخشی از این از دست رفتن، خشونت‌آمیز است. بخشی دیگر آرام و تدریجی رخ می‌دهد. در هر صورت، زمان به سرعت می‌گذرد.

نمایی از یک ستاره جوان که با دیسکی پیش‌سیاره‌ای از گاز و غبار احاطه شده است. بادهایی که از مرکز دیده می‌شوند، نشان‌دهنده گازی هستند که با انرژی زیاد از یک سامانه سیاره‌ای جوان بیرون رانده می‌شود.

مشاهدات تازه تلسکوپ فضایی جیمز وب ناسا تصویری بسیار پویاتر از آنچه دانشمندان انتظار داشتند، از چگونگی از دست رفتن گاز در دیسک‌های سیاره‌ساز ارائه می‌دهد. جیمز وب نشان می‌دهد به جای یک فرایند واحد که به آرامی مخزن سازنده جو سیارات را فرسوده کند، مجموعه‌ای از نیروهای متغیر در کار است: فواره‌های مغناطیسی در جوان‌ترین سامانه‌ها جای خود را با پیرتر شدن دیسک‌ها به جریان‌های خروجی ناشی از تابش می‌دهند. نتیجه، سازوکاری پیچیده و وابسته به زمان است که شکل‌گیری غول‌های گازی مانند مشتری و زحل را تنظیم می‌کند.

جیمز وب چگونه بادهای در حال تغییر را نقشه‌برداری می‌کند

این پژوهش به سرپرستی نامان باجاج از دانشگاه آریزونا و با همکاری اوما گورتی از مؤسسه ستی انجام شد و ۷۲ ستاره جوان و خورشیدمانند را با استفاده از داده‌های آرشیوی ابزار فروسرخ میانی جیمز وب، میری، بررسی کرد. این نمونه یکی از بزرگ‌ترین پیمایش‌های تلسکوپ جیمز وب درباره شکل‌گیری سیاره‌ها تا امروز است. این اهداف در کنار هم زنجیره‌ای از مراحل تکاملی را می‌سازند که به پژوهشگران امکان می‌دهد تحول سازوکارهای از دست رفتن گاز را با بالغ شدن دیسک‌ها دنبال کنند.

حساسیت جیمز وب به هیدروژن مولکولی گرم و نئون یونیده، نقشی تعیین‌کننده داشت. هیدروژن مولکولی، اچ ۲، فراوان‌ترین مولکول در دیسک‌های پیش‌سیاره‌ای است، اما مشاهده آن بسیار دشوار است. نئون در حالت یونیده، نشانه‌ای از جریان‌ها و فواره‌های داغ‌تر و پرانرژی‌تر است. گروه پژوهشی با جدا کردن بادهای گسترده هیدروژن مولکولی از فواره‌هایی که با نئون ردیابی می‌شوند، توانست تشخیص دهد در سنین مختلف کدام محرک‌های فیزیکی غالب هستند.

دو نشانه روشن

• گسیل هیدروژن مولکولی که پهن و گسترده به نظر می‌رسد و بادهای آهسته و پرجرم را نشان می‌دهد.
• فواره‌های سریع نئون یونیده که جریان‌های خروجی باریک و پرسرعت را ردیابی می‌کنند و اغلب با فرایندهای مغناطیسی مرتبط هستند.

از میان ۷۲ دیسک بررسی‌شده، ۶۶ دیسک نشانه‌هایی از گسیل گسترده هیدروژن مولکولی یا نئون یونیده نشان دادند. بادهای مخروطی هیدروژن مولکولی در ۴۶ سامانه دیده شد و ۴۰ سامانه فواره‌های نئونی داشتند. نکته مهم این است که هر دیسکی که فواره نئونی داشت، شواهدی از باد مولکولی یا اتمی نیز نشان می‌داد؛ موضوعی که نشان می‌دهد چند سازوکار می‌توانند هم‌زمان فعال باشند.

از ریه‌های مغناطیسی تا گرمای خورشیدی

در جوان‌ترین سامانه‌ها، جایی که ماده هنوز به سوی ستاره مرکزی جریان دارد، بازیگران اصلی میدان‌های مغناطیسی هستند. خطوط میدان مغناطیسی که از دیسک عبور می‌کنند، مانند کانال عمل می‌کنند. گاز روی این خطوط به بیرون حرکت می‌کند. جرم می‌گریزد. تکانه زاویه‌ای نیز با خود برده می‌شود. اثر انگشت رصدی این فرایند، فواره‌های نیرومند و جریان‌های خروجی گسترده مولکولی است که هم گاز مولکولی و هم گاز اتمی را در خود دارند.

با افزایش سن سامانه ستاره و دیسک، برافزایش کاهش می‌یابد. فواره‌ها ضعیف‌تر می‌شوند. این تغییر راه را برای نفوذ فوتون‌های پرانرژی به نواحی عمیق‌تر دیسک باز می‌کند. تابش فرابنفش و پرتو ایکس ستاره، لایه‌های سطحی را تا جایی گرم می‌کند که گاز به سرعت گریز برسد. این فرایند که تبخیر نوری نام دارد، در سامانه‌های پیرتر نقش فزاینده‌ای در پراکندگی دیسک ایفا می‌کند. آشکارسازی مستقیم هیدروژن مولکولی توسط جیمز وب، پیش‌بینی‌هایی را تأیید می‌کند که پیش از رصدپذیر شدن معمول این طول موج‌ها مطرح شده بودند.

گورتی که دهه‌ها بادهای تبخیر نوری را مطالعه کرده است، پیوند میان نظریه و مشاهده را چنین خلاصه کرد: «این اندازه‌گیری‌های جیمز وب پلی میان مدل‌های دیرپا و سامانه‌های واقعی می‌سازد. اکنون می‌توانیم ببینیم چگونه جریان‌های برانگیخته از فرابنفش و پرتو ایکس، با فروکش کردن فعالیت مغناطیسی، دست بالا را پیدا می‌کنند.»

چرا از دست رفتن گاز سرنوشت سیارات را تعیین می‌کند

گاز فقط ماده‌ای پس‌زمینه نیست. گاز سوختی است که به هسته پیش‌سیاره‌ای جوان اجازه می‌دهد به یک غول گازی تبدیل شود. اگر این سوخت خیلی سریع ناپدید شود، هسته‌هایی که می‌توانستند به مشتری‌هایی بزرگ تبدیل شوند، ممکن است به سیارات کوچک‌تر، شبیه نپتون یا حتی سیارات سنگی تبدیل شوند. بنابراین توازن متغیر میان بادهای مغناطیسی و تبخیر نوری، پنجره زمانی ساخت غول‌های گازی را تعریف می‌کند.

باجاج گفت: «شکل‌گیری سیاره مسابقه‌ای با زمان است. غول‌های گازی باید تا وقتی دیسک هنوز جرم قابل توجهی دارد، جو خود را بسازند. وقتی بادها و فواره‌ها آن ماده را با خود بردند، فرصت از دست می‌رود.»

پیمایش جیمز وب نشان می‌دهد پراکندگی دیسک یک ضرب‌الاجل واحد نیست، بلکه حذف مرحله‌به‌مرحله ماده است. دوره‌های نخستین که زیر سلطه میدان‌های مغناطیسی هستند، می‌توانند ماده را از نواحی داخلی و میانی دیسک به سرعت بیرون برانند. در مراحل بعدی، تبخیر ناشی از تابش، لایه‌های سطحی را در شعاع‌های بزرگ‌تر به تدریج می‌تراشد. اینکه کدام نواحی گاز خود را سریع‌تر از دست می‌دهند، بر این اثر می‌گذارد که انواع مختلف سیاره کجا و چه زمانی می‌توانند شکل بگیرند.

دیدگاه کارشناس

دکتر النا مارتین، اخترفیزیک‌دان رصدی که در این مقاله نقشی نداشته است، گفت: «این نتایج بسیار مهم‌اند، زیرا برای مدل‌هایی که پیش‌تر به ردیاب‌های غیرمستقیم وابسته بودند، تکیه‌گاه رصدی فراهم می‌کنند. توانایی جیمز وب در آشکارسازی اچ ۲ گرم در سامانه‌های متعدد، به ما امکان می‌دهد حالت‌های از دست رفتن جرم و زمان‌بندی آن‌ها را کمی‌سازی کنیم. این موضوع کمک می‌کند بفهمیم غول‌های گازی کجا می‌توانند شکل بگیرند و الگوهای مهاجرت سیاره‌ای چگونه ممکن است تحت تأثیر قرار گیرند.»

نظر او بر هدفی بزرگ‌تر تأکید می‌کند: تبدیل آشکارسازی‌های جیمز وب به نرخ‌های از دست رفتن جرم و نقشه‌های فضایی گازهای در حال فرار. دانستن اینکه بادها چه مقدار جرم را با خود می‌برند و این جرم از کدام نواحی شعاعی دیسک می‌آید، به نظریه‌پردازان اجازه می‌دهد زمان‌بندی شکل‌گیری انواع مختلف سیاره را دقیق‌تر کنند.

گام بعدی برای رصدگران و مدل‌سازان چیست

گام‌های آینده شامل کمی‌سازی نرخ‌های از دست رفتن جرم مرتبط با بادهای مولکولی و اتمی، و شناسایی نواحی مشخصی از دیسک است که این جریان‌های خروجی را تغذیه می‌کنند. ترکیب طیف‌سنجی فروسرخ میانی جیمز وب با داده‌های مکمل در طول موج‌های دیگر، مانند تداخل‌سنجی رادیویی که ساختار غبار را نقشه‌برداری می‌کند و مشاهدات فرابنفش و پرتو ایکس که تابش ستاره‌ای را مشخص می‌سازند، تصویری کامل‌تر و چندطول‌موجی از پراکندگی دیسک خواهد ساخت.

این نتایج برای جمعیت‌شناسی سیارات فراخورشیدی نیز اهمیت دارد. طول عمر دیسک‌ها و زمان‌بندی سازوکارهای پراکندگی، به طور مستقیم وارد مدل‌های سنتز جمعیتی می‌شود؛ مدل‌هایی که فراوانی غول‌های گازی، غول‌های یخی و جهان‌های سنگی را پیش‌بینی می‌کنند. اگر دیسک‌ها معمولاً زودتر از آنچه فرض شده گاز خود را از دست بدهند، مدل‌ها باید مسیرهای ترجیحی تولید تنوع مشاهده‌شده در سیارات فراخورشیدی را بازنگری کنند.

جمع‌بندی

جیمز وب با آشکار کردن رقصی وابسته به زمان از فرایندهای از دست رفتن گاز، فصل تازه‌ای در درک ما از شکل‌گیری سیاره‌ها گشوده است. سامانه‌های جوان با فواره‌های مغناطیسی و بادهای گسترده مولکولی آغاز می‌کنند. سپس تبخیر نوری ناشی از تابش به صحنه اصلی می‌آید. این تحول، پنجره شکل‌گیری غول‌های گازی را کوتاه‌تر یا بلندتر می‌کند و معماری سامانه‌های سیاره‌ای را مدت‌ها پیش از آنکه سیارات در مدارهای پایدار جای بگیرند، شکل می‌دهد.

با تبدیل این نماهای طیف‌سنجی به بودجه‌های جرمی و نقشه‌های فضایی توسط اخترشناسان، تصویر روشن‌تری از این به دست خواهیم آورد که سیارات مختلف کجا و چه زمانی می‌توانند ساخته شوند. مسابقه با زمان اکنون با جزئیات نقشه‌برداری شده است و جیمز وب کرنومتر این رقابت است.