Gli scienziati ritengono che i sistemi planetari, come il nostro sistema solare, contengano più oggetti rocciosi che gassosi. Intorno al nostro sole, questi includono i pianeti interni – Mercurio, Venere, Terra e Marte - la fascia degli asteroidi e gli oggetti della fascia di Kuiper, come Plutone. Al contrario, pianeti come Giove, Saturno, Urano e Nettuno contengono principalmente gas. Tuttavia, è noto da tempo che i dischi di formazione planetaria iniziano con una massa di gas 100 volte superiore a quella dei solidi, il che porta a una domanda urgente: quando e come la maggior parte del gas lascia un sistema planetario nascente?
Uno studio guidato da Naman Bajaj presso il Laboratorio Lunare e Planetario dell’Università dell’Arizona, pubblicato sull’Astronomical Journal, fornisce risposte. Utilizzando il Telescopio Spaziale James Webb, o JWST, il team ha ottenuto immagini di un sistema planetario nascente, noto anche come disco circumstellare, nel processo di dispersione attiva del suo gas nello spazio circostante.
“Conoscere il momento in cui il gas si disperde è importante perché ci dà un’idea migliore di quanto tempo i pianeti gassosi hanno a disposizione per consumare il gas dal loro ambiente circostante”, ha affermato Bajaj, dottorando di secondo anno presso il Laboratorio Lunare e Planetario dell’Università dell’Arizona. “Con scorci senza precedenti su questi dischi che circondano giovani stelle, i luoghi di nascita dei pianeti, il JWST ci aiuta a scoprire come si formano i pianeti.”
Durante le prime fasi della formazione del sistema planetario, i pianeti si aggregano in un disco rotante di gas e minuscole particelle di polvere attorno alla giovane stella. Queste particelle si raggruppano, accumulandosi in frammenti sempre più grandi chiamati planetesimi. Col tempo, questi planetesimi collidono e si uniscono, formando infine i pianeti. Il tipo, la dimensione e la posizione dei pianeti che si formano dipendono dalla quantità di materiale disponibile e da quanto tempo rimane nel disco.
“Quindi, in breve, l’esito della formazione dei pianeti dipende dall’evoluzione e dalla dispersione del disco”, ha detto Bajaj.
Al centro di questa scoperta c’è l’osservazione di T Cha, una giovane stella avvolta da un disco circumstellare in erosione notevole per un vasto divario di polvere, che si estende per circa 30 unità astronomiche, con un’unità astronomica che rappresenta la distanza media tra la Terra e il sole.
Bajaj e il suo team sono stati in grado, per la prima volta, di immaginare il vento del disco, come viene definito il gas quando lascia lentamente il disco di formazione planetaria. Gli astronomi hanno sfruttato la sensibilità del telescopio alla luce emessa da un atomo quando la radiazione ad alta energia, ad esempio nella luce stellare, priva il suo nucleo di uno o più elettroni. Questo è noto come ionizzazione, e la luce emessa in questo processo può essere utilizzata come una sorta di “impronta digitale” chimica - nel caso del sistema T Cha, tracciando due gas nobili, neon e argon. Le osservazioni segnano anche la prima volta che è stata rilevata una doppia ionizzazione dell’argon in un disco di formazione planetaria, scrive il team nel documento.
“La firma del neon nelle nostre immagini ci dice che il vento del disco proviene da una regione estesa lontano dal disco”, ha detto Bajaj. “Questi venti potrebbero essere guidati sia dai fotoni ad alta energia – essenzialmente la luce che fluisce dalla stella – sia dal campo magnetico che si intreccia attraverso il disco di formazione planetaria.”
Nel tentativo di differenziare tra i due, lo stesso gruppo, questa volta guidato da Andrew Sellek, ricercatore post-dottorato presso l’Università di Leiden nei Paesi Bassi, ha eseguito simulazioni della dispersione guidata dai fotoni stellari, la luce intensa che fluisce dalla giovane stella. Hanno confrontato queste simulazioni con le osservazioni reali e hanno scoperto che la dispersione da fotoni stellari ad alta energia può spiegare le osservazioni, e quindi non può essere esclusa come possibilità. Quello studio ha concluso che la quantità di gas che si disperde dal disco T Cha ogni anno è equivalente a quella della luna terrestre. Questi risultati saranno pubblicati in un documento complementare, attualmente in fase di revisione con l’Astronomical Journal.
Sebbene le firme del neon fossero state rilevate in molti altri oggetti astronomici, non si sapeva che avessero origine in dischi di formazione planetaria a bassa massa fino a quando non furono scoperte per la prima volta nel 2007 con il predecessore del JWST, il Telescopio Spaziale Spitzer della NASA, da Ilaria Pascucci, professore presso LPL che presto le identificò come un tracciante dei venti del disco. Quei primi risultati hanno trasformato gli sforzi di ricerca incentrati sulla comprensione della dispersione del gas dai dischi circumstellari. Pascucci è il ricercatore principale del progetto di osservazione più recente e coautore delle pubblicazioni qui riportate.
“La nostra scoperta di emissione di neon risolta spazialmente – e la prima rilevazione di argon doppio ionizzato – utilizzando il Telescopio Spaziale James Webb potrebbe diventare il prossimo passo verso la trasformazione della nostra comprensione di come il gas si libera da un disco di formazione planetaria”, ha detto Pascucci. “Queste intuizioni ci aiuteranno a ottenere un’idea migliore della storia e dell’impatto sul nostro sistema solare.”
Inoltre, il gruppo ha anche scoperto che il disco interno di T Cha sta evolvendo su tempi molto brevi, dell’ordine dei decenni; hanno scoperto che lo spettro osservato dal JWST differisce dallo spettro precedente rilevato da Spitzer. Secondo Chengyan Xie, dottorando di secondo anno presso LPL che guida questo lavoro in corso, questa discrepanza potrebbe essere spiegata da un piccolo disco asimmetrico all’interno di T Cha che ha perso parte della sua massa nei brevi 17 anni trascorsi tra le due osservazioni.
“Oltre agli altri studi, questo suggerisce anche che il disco di T Cha è alla fine della sua evoluzione”, ha detto Xie. “Potremmo essere in grado di assistere alla dispersione di tutta la massa di polvere nel disco interno di T Cha nel corso della nostra vita.”
Per ulteriori informazioni su questa ricerca, vedere Galactic Winds of Change Captured by Webb Space Telescope.
Riferimento: “Osservazioni JWST MIRI MRS di T Cha: scoperta di un vento del disco risolto spazialmente” di Naman S. Bajaj, Ilaria Pascucci, Uma Gorti, Richard Alexander, Andrew Sellek, Jane Morrison, Andras Gaspar, Cathie Clarke, Chengyan Xie, Giulia Ballabio e Dingshan Deng, 4 marzo 2024, The Astronomical Journal.
DOI: 10.3847/1538-3881/ad22e1
Coautori delle pubblicazioni includono Uma Gorti con l’Istituto SETI, Richard Alexander con l’Università di Leicester, Jane Morrison e Andras Gaspar con l’Osservatorio Steward dell’Università dell’Arizona, Cathie Clarke con l’Università di Cambridge, Giulia Ballabio con l’Imperial College London e Dingshan Deng con il Laboratorio Lunare e Planetario.