8 دقیقه
JWST Detects a Planet-Forming Disk in a UV-Extreme Stellar Nursery
با استفاده از تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) و مدل‌سازی‌های ترموشیمی پیشرفته، گروهی به رهبری ستاره‌شناسان دانشگاه پن‌استیت نشان داده‌اند که مواد اولیه لازم برای تشکیل سیارات سنگی حتی درون دیسکهای پروپلنتی که در معرض تابش فرابنفش (UV) شدید قرار دارند نیز میتوانند پایدار بمانند. هدف مطالعه، ستاره‌ای جوان و شبیه به خورشید با نام XUE 1 در سحابی Lobster (NGC 6357) است که در فاصلهٔ تقریباً 5,500 سال نوری از زمین واقع شده و در منطقه‌ای قرار دارد که بیش از 20 ستارهٔ پرجرم و پرنور در طیف فرابنفش آن را تحت سلطه دارند. با وجود این تابش خشن، طیف‌های JWST و مدل‌ها نشان می‌دهند که دیسکی فشرده پیرامون XUE 1 وجود دارد که هنوز گرد و غبار و گاز لازم برای ساخت سیارهها را در خود نگه داشته است.
نتایج تازه که در The Astrophysical Journal منتشر شده‌اند، مشاهدات حساس JWST در طول موج میانهٔ فروسرخ را با مدل‌های ستاره‌شیمی و ترموشیمی روز ترکیب می‌کنند. این رویکرد دوگانه به تیم امکان داد تا هم جرم جامدات موجود در دیسک و هم توزیع مواد فرار کلیدی — مولکول‌هایی مانند بخار آب (H2O)، مونوکسید کربن (CO)، دی‌اکسید کربن (CO2)، هیدروژن سیانید (HCN) و استیلن (C2H2) — را که نقش اصلی در جو سیارات و انتقال فرارها به جهان‌های سنگی دارند، برآورد کنند.
Scientific Background: Why UV Radiation Matters for Planet Formation
تابش فرابنفش انرژی بیشتری نسبت به نور مرئی دارد و میتواند مولکولها را تجزیه و گاز را گرم کند. در زمین، جو ما از حیات در برابر UV مضر محافظت میکند. در مناطق تشکیل ستاره، ستاره‌های پرجرم نوع O و B تابش فرابنفش زیادی تولید می‌کنند که میتواند گاز پیرامون را فوتواواپوره کرده، گرد و غبار را فرسایش دهد و دیسکهای پروپلنتی را از نظر شیمیایی تغییر دهد. بیشتر مطالعات دقیق روی دیسکها روی مناطق نسبتاً آرام و نزدیک تشکیل ستاره که چنین محیط فرابنفشی شدیدی ندارند متمرکز بوده‌اند. با این حال، دیسکها در نوزادستانهای پرجرم نمایندهٔ جایی هستند که اکثریت ستارگان — و بنابراین اکثریت سیارات — احتمالاً شکل می‌گیرند.
با هدف قرار دادن XUE 1 در سحابی Lobster، منطقه‌ای که شامل برخی از پرجرم‌ترین و پرنورترین ستاره‌های فرابنفش راه شیری است، پژوهشگران آزمودند که آیا جامدات و مواد فراری که سیارهها را می‌سازند میتوانند زیر تابش خارجی پایدار دوام بیاورند یا نه. مدلسازی ترموشیمیایی در اینجا حیاتی است: این مدل‌ها امضاهای طیفی مشاهده‌شده را به برآوردهایی از دما، فراوانی‌های شیمیایی و توزیع جرم و اندازهٔ دانههای گرد و غبار تبدیل می‌کنند — پارامترهایی که در نهایت تبدیل به سیارچه‌ها و سپس سیارات می‌شوند.
Key Findings: Compact, Gas-Depleted Disk but Enough Solids to Seed Planets
مشاهدات JWST نشانههایی از دانههای گرد و غبار و مولکولهای فاز گازی در دیسک XUE 1 را نشان می‌دهند. برازش‌های مدل‌ها حاکی از آن است که دیسک فشرده است — تا حدود 10 واحد نجومی (AU) امتداد دارد، تقریباً فاصله‌ای برابر با فاصلهٔ خورشید تا زحل — و در نواحی خارجی خود کمبود گاز را نمایان می‌سازد. تیم این فشردگی را نتیجهٔ فوتواواپراسیون خارجی ناشی از منابع UV قدرتمند مجاور می‌داند: دیسک بیرونی پس زده شده و بخش داخلی کوچکتر و چگال‌تری باقی مانده است.
نکتهٔ مهم این است که ناحیهٔ داخلی هنوز مواد جامد کافی برای شکلگیری چندین سیاره با جرم‌های زمینی را در خود دارد. این مطالعه تخمین می‌زند که مواد جامد به اندازهٔ لازم برای تولید حداقل ده جرم با جرم‌هایی در مقیاس عطارد موجود است. وجود بخار آب و مولکولهای حامل کربن در مقادیر قابل اندازه‌گیری نیز نشان میدهد که مخازن فرار که میتوانند به جوهای نوپای سیارات کمک کنند، از حملهٔ UV جان سالم به در برده‌اند.
کنستانتین گتمان، هم‌نویسنده و استاد پژوهش در پن‌استیت، اشاره میکند که کشف هم‌زمان گرد و غبار و مولکولها از این ایده پشتیبانی میکند که «آجرهای ساخت سیارات حتی در محیط‌هایی با تابش فرابنفش شدید میتوانند وجود داشته باشند.» به همین ترتیب، نویسندهٔ اصلی بایرون پورتیا-رِولو تأکید میکند که بررسی دیسکها در نوزادستانهای با UV شدید فاصلهٔ بزرگی را در درک ما از شکلگیری سیارهها در شرایط کهکشانی واقعی پر میکند.
Evidence of Disk Erosion and the Role of Photoevaporation
کمبود بعضی نشانگرهای مولکولی حساس به UV در طیف‌های JWST به تیم کمک کرد تا طبیعت کمگاز بخشهای بیرونی دیسک را استنتاج کنند. فوتواواپراسیون ناشی از نور فرابنفش خارجی به‌طور ترجیحی گازهای ضعیفتر گرانشی و ذرات ریز گرد و غبار در شعاع‌های بزرگ را حذف میکند، اندازهٔ دیسک را کوچک میکند و ممکن است جدول زمانی و مسیرهای تشکیل سیاره را تغییر دهد. با وجود این فرسایش، نواحی داخلی میتوانند به اندازهٔ کافی چگال و محافظتشده باقی بمانند تا جامدات رشد کنند و به یکدیگر بچسبند و در نتیجه شکلگیری سیارات سنگی ممکن گردد.
اریک فیگلزون، پژوهشگر ارشد و یکی از هم‌نویسندگان در پن‌استیت، اهمیت کلی این کشف را این‌گونه برجسته میکند: «این نتایج از ایدهٔ تشکیل سیاره حول ستارگان حتی زمانی که دیسک آشیانه در معرض تابش خارجی قوی است پشتیبانی میکند.» این دیدگاه به توضیح اینکه چرا سامانه‌های سیاره‌ای در سراسر کهکشان با وجود تنوع محیطی فراوان دیده می‌شوند کمک میکند.
Expert Insight
دکتر امینه رحمان، اخترفیزیکدانی متخصص تحول دیسکها (معلق مستقل): «این مطالعه یک اثبات مفهوم مهم است. نشان میدهد که حساسیت JWST به نشانه‌های مولکولی و گرد و غبار حتی در محیطهای چالش‌برانگیز کافی است و نشان میدهد که فوتواواپراسیون همیشه دیسک را کاملاً بی‌حاصل نمی‌کند. در عوض، دیسکها را شکل میدهد — اغلب لبه‌ها را می‌تراشد اما نواحی داخلی را باقی میگذارد که در آن‌جا مونتاژ سیاره‌ای میتواند ادامه یابد. این امر پیامدهای بزرگی برای معماری و ترکیب سیاراتی دارد که در خوشه‌های ستاره‌ای متراکم شکل می‌گیرند.»
Mission and Modeling: How JWST and Thermochemical Tools Complement Each Other
JWST طیف‌های فروسرخ با وضوح بالا را فراهم میکند که برای شناسایی باندهای ارتعاشی مولکولها و ویژگی‌های حالت جامد گرد و غبار ضروری‌اند. مدل‌های ترموشیمی سپس ساختار فیزیکی و شیمیایی دیسکهای تابش‌دیده را شبیه‌سازی می‌کنند و گرمایش، سرمایش، فوتوردایش و واکنش‌های گاز–ذره را در نظر می‌گیرند. با تکرار میان مشاهدات و مدل‌ها، تیم پروفایل دمایی دیسک، فراوانی‌های مولکولی و جرم گرد و غبار را محدود کرد — پارامترهایی که در سیستم‌های دور و تابش‌دیده به سختی قابل سنجش‌اند.
این روش ترکیبی همچنین پیش‌بینی‌ها را برای اینکه کدام مولکولها در کدام بخش از دیسک باید ظاهر شوند بهبود می‌بخشد، که برنامه‌ریزی برای پیگیری با JWST، ALMA و تلسکوپ‌های زمینی اپتیک/نزدیک‌فروسرخی مانند رصدخانهٔ جمنی را مطلع می‌سازد.
Future Prospects: Toward a Census of Planet Formation in Diverse Environments
مطالعهٔ XUE 1 نمایانگر گامی نخست به‌سمت یک بررسی گستردهتر از دیسکها در نوزادستانهای ستاره‌ای پرجرم است. گسترش نمونه‌ها مشخص خواهد کرد که دیسکهای فشرده و پردازش‌شده توسط UV تا چه اندازه رایج‌اند و نتایج شکلگیری سیاره‌ای آنها چگونه با نتایج در نواحی آرام‌تر تفاوت دارد. چنین کارهایی برآوردهای جمعیتی سیارات فراخورشیدی را بهبود می‌بخشد، به‌ویژه فراوانی و ترکیب سیارات سنگی‌ای که در خوشه‌هایی شکل می‌گیرند که بیشتر ستارگان از آنها نشات می‌گیرند.
این پژوهش همچنین قابلیت تحول‌آفرین JWST در بررسی شیمی دیسکها در فواصل و شرایطی را که تا پیش از این در دسترس نبودند برجسته می‌سازد. در ترکیب با تداخل‌سنج‌های رادیویی زمینی و تلسکوپ‌های نسل بعد، این مشاهدات تصویری کامل‌تر از شکلگیری سیاره در سراسر کهکشان فراهم خواهند کرد.
Conclusion
مشاهدات JWST از دیسک پروپلنتی پیرامون XUE 1 در سحابی Lobster نشان میدهد که حتی در مناطقی که غرق در تابش فرابنفش شدید هستند، مخزن فشرده‌ای از گرد و غبار و مولکولهای فرار میتواند به مدت کافی برای بذرگذاری تشکیل سیارات سنگی باقی بماند. تابش فرابنفش خارجی به نظر می‌رسد که نواحی بیرونی دیسک را فرسایش میدهد و ساختارهایی فشرده و کمگاز پدید می‌آورد، اما لزوماً مانع شکلگیری سیاره نمی‌شود. این نتایج دید ما را نسبت به محیطهای تشکیل سیاره گستردهتر می‌کنند و بر اهمیت ترکیب مشاهدات فروسرخ حساس با مدلسازی ترموشیمی پیشرفته برای درک شکلگیری سیاره در محیطهای گوناگون که ستارگان و سیارات در آنها زاده می‌شوند تأکید می‌کنند.
منبع: scitechdaily
.avif)
نظرات