Gwiazda się rodzi w zimnie i ciemności
Nasza Galaktyka usiana jest chmurami gazu i pyłu, które obserwatorzy – szczególnie z południowej półkuli Ziemi – mogą dojrzeć jako przesłaniające światło Drogi Mlecznej. W niektórych kulturach układano z nich nawet konstelacje. Rozwój technologii obserwacyjnych pozwolił zajrzeć do ich wnętrza, bo o ile te obłoki są w świetle widzialnym kompletnie ciemne, o tyle w podczerwieni rozbłyskują ukryte w nich nowo powstające gwiazdy.
Narodziny są dość paradoksalne: gwiazdy, czyli rozgrzane do milionów stopni kule ognia, powstają w najchłodniejszych miejscach w kosmosie. Obłoki molekularne wirują powoli, a ciśnienie związane z ich temperaturą nie pozwala im zapaść się pod własnym ciężarem. Głównym źródłem energii w kosmosie jest światło gwiazd, więc gdy chmura zgęstnieje na tyle, że stanie się dla niego nieprzepuszczalna, jej wnętrze nieuchronnie zaczyna się schładzać. Przy temperaturze zaledwie 20 K (a więc ok. –250 st. C) chmura zapada się.
O ile obłoki molekularne mogą dryfować w przestrzeni kosmicznej przez miliony lat, o tyle gdy rozpoczyna się proces zapadania, sprawy dzieją się błyskawicznie (w skali kosmicznej oczywiście). W ciągu zaledwie kilku tysięcy lat tworzy się gęsta i kompaktowa kula gazu, nazywana protogwiazdą. Wokół niej formuje się protoplanetarny dysk pełen gazu i pyłu, który ją karmi. Wtedy najczęściej gwiazda obwieszcza światu swoje narodziny spektakularnymi fajerwerkami: wyrzuca ogromne ilości gazu sformowane w tzw. dżety, które zderzając się z okolicznym obłokiem molekularnym, rozgrzewają go, rozświetlając okolicę. W czasach, gdy obserwacje w świetle widzialnym były jedynym źródłem wiedzy o kosmosie, dżety jako pierwsze sygnalizowały, że w ciemnych chmurach gazu i pyłu dzieje się coś zagadkowego. Wyrzucane z prędkością setek kilometrów na sekundę strumienie gazu uciekają bowiem poza najgęstsze warstwy obłoku, zderzając się z otaczającym gazem i rozgrzewając go do tysięcy stopni.
Przez kolejne kilka milionów lat protogwiazda dokarmia się materiałem z obłoku, aż wreszcie gęstość jej wnętrza pozwala na zapłon reakcji jądrowych – i staje się pełnoprawną gwiazdą. Tak w skrócie powstają ciała niebieskie podobne naszemu Słońcu. Te masywniejsze rodzą się dużo gwałtowniej i dużo bardziej dramatycznie umierają, a cały ich cykl życia zamyka się czasami w kilkudziesięciu milionach, a nie kilku miliardach lat, jak w przypadku Słońca.
Zatrzymajmy się jednak nad pewnym produktem ubocznym tego procesu. Wokół rosnącej gwiazdy wydarza się kolejny niemały cud kosmicznych narodzin: z otaczającego ją dysku wyłaniają się planety.
Ziarna, czyli wielki mróz
Kosmiczny pył pełni w ich historii kluczową funkcję. To on blokuje światło gwiazd, pozwalając schłodzić się obłokom molekularnym. Także on tworzy zaczątki nowych planet. Jego powierzchnia jest również katalizatorem reakcji chemicznych (co było jednym z donioślejszych odkryć astrochemii ubiegłego wieku): to na niej spotykają się atomy, ułatwiając tworzenie się coraz to większych molekuł. Dzieje się to, gdy temperatura obłoku spada na tyle, żeby gaz zaczął zamarzać i osiadać na ziarnach pyłu. Może to przypominać płatki śniegu, czyli wody zamarzającej na drobinkach pyłu w atmosferze Ziemi.
Również w kosmosie woda jest jednym z głównych składników gwiezdnego lodu. Jest we wszechświecie wszechobecna – to trzecia co do liczebności molekuła, po molekularnym wodorze (H²) i tlenku węgla (CO). Występuje tam jednak wyłącznie w dwóch stanach skupienia: gazowym i stałym. Dopiero pod wpływem ciśnienia atmosferycznego planety i odpowiednich warunków termicznych może stworzyć oceany płynnego H²O.
W obłokach czy dyskach protoplanetarnych woda zaczyna zamarzać na ziarnach pyłu w temperaturze ok. –140 st. C. Stopniowo, ale zdecydowanie, wraz z ochładzaniem się chmury, lód rośnie: dwutlenek węgla, metan, amoniak tworzą kolejne warstwy kosmicznej śnieżnej kuli. Jej rola nie ogranicza się jednak do kumulowania warstw związków chemicznych. Eksperymenty laboratoryjne jednoznacznie pokazują, że od prostego tlenku węgla można, dzięki reakcjom z wodorem, otrzymać alkohol, metanol oraz glikoaldehyd, najprostszy związek chemicznie związany z cukrami, który pełni ważną rolę w budowaniu RNA. W oblodzonych ziarnach pyłu mogą więc powstawać pierwsze chemiczne ziarna życia. Jak jednak poznajemy skład chemiczny tego międzygwiezdnego lodu?
Złoto, czyli nie ozdoba
W świąteczne przedpołudnie 25 grudnia 2021 r. astronomowie dostali swój wymarzony, długo oczekiwany prezent: rakietą Europejskiej Agencji Kosmicznej uniósł się poza ograniczenia ziemskiej atmosfery James Webb Space Telescope (JWST). Planowany już od lat 80. i mierzący się z wieloma technicznymi wyzwaniami, wart 10 mld dol. złoty teleskop wreszcie wyruszył w podróż ku odkryciom. Złoto, którego cienką warstwą pokryte jest lustro teleskopu, nie jest bynajmniej dekoracją. Ten metal doskonale odbija światło podczerwone, czyniąc Webba zdecydowanym czempionem badań w tym zakresie fali świetlnej.
To doskonały instrument do badania gwiezdnego lodu. Dzięki czułości urządzeń pracujących w podczerwieni możemy dojrzeć światło głęboko ukrytych gwiazd. Rozświetlając otaczający je obłok, wysyłają wiązkę światła na szerokim zakresie fali. W podczerwieni kosmiczny lód wyłapuje jednak światło szczególnie skutecznie, w efekcie sygnał obserwowany jest przez teleskop w pewien charakterystyczny, wybrakowany sposób. Spadki jasności o konkretnych, precyzyjnie zmierzonych częstotliwościach fali mówią o tym, jaki związek chemiczny powstrzymał foton przed dotarciem do detektora. Oglądamy więc gwiazdy niczym przez oblodzoną szybę.
Z czego składa się lód zaobserwowany przez JWST? Przede wszystkim z wody, tlenku i dwutlenku węgla i metanu. To składniki, które z łatwością mogliśmy obserwować już poprzednimi teleskopami podczerwonymi, takimi jak Infrared Space Observatory (ISO) i Teleskop Kosmiczny Spitzera. Jednak 6,5-metrowe lustro JWST to szansa na odkrycie dużo mniej oczywistych składników. Dzięki temu dostrzeżono również metanol i etanol oraz inne związki organiczne, jednoznacznie potwierdzając, że już wokół powstających gwiazd gromadzą się składniki kluczowe dla późniejszego rozwoju życia na planetach.
Jak jednak z mikroskopijnych ziaren pokrytych lodem przechodzimy do planet o rozmiarach tysięcy kilometrów? I czy związki chemiczne są w stanie przetrwać tę przemianę?
Zderzenia, czyli przyjście wody
Przypomnijmy, że młoda Ziemia nie była przesadnie przyjaznym miejscem do życia – raczej rozgrzaną kulą pokrytą lawą. Dopiero po ochłodzeniu i utworzeniu się atmosfery była zdolna utrzymać na powierzchni wodę. Problem w tym, że żadnej wody już wtedy na niej nie było. Wyparowała ona na wczesnym etapie istnienia naszej planety. Prawdopodobnie więc ziarna pyłu, które dostarczyły budulec powstającej Ziemi, nie przyniosły wiele ze swojej lodowej otoczki.
Dyski protoplanetarne są jednak pełne ziaren lodu, które stopniowo zbierają się w wielkie śnieżne kule – i nie wszystkie skończyły jako materiał do budowy planet. Dziś możemy je obserwować jako komety, bryły lodu, które stopniowo tracą swoją masę, gdy zbliżają się do Słońca, tworząc jedyne w swoim rodzaju, sięgające milionów kilometrów, warkocze. Według niektórych teorii to właśnie kometa była Gwiazdą Betlejemską. Tak zresztą przedstawia się ją często w kulturze popularnej.
Jedna z hipotez wyjaśniających obecność wody i związków organicznych na Ziemi sugeruje, że ich większość pochodzi właśnie z komet lub asteroid, zderzających się z naszą planetą na końcowych etapach jej powstawania – będąc rzeczywistym zwiastunem narodzin życia biologicznego na jej powierzchni.
Niedawne obserwacje JWST udowodniły jedną z fundamentalnych teorii na temat powstawania planet. Naukowcy zauważyli, że do wewnętrznych rejonów dysków protoplanetarnych stale napływają oblodzone ziarna pyłu – dostarczając wodę i inne składniki znajdujące się na ich powierzchni. Jedne z najbardziej ekscytujących odkryć dokonanych z użyciem tego teleskopu dotyczą powstałych już planet pozasłonecznych – wykrycie dwutlenku węgla w atmosferze gazowego giganta i metanu nad powierzchnią skalistej planety prawdopodobnie pokrytej ogromnym oceanem – to tylko przedsmak rewolucji w badaniach planet pozasłonecznych.
Spojrzenie, czyli to, co pierwsze
Także JWST będzie wypatrywał pierwszej gwiazdki: całkiem dosłownie. Młody wszechświat składał się niemal wyłącznie z wodoru i helu. Był to jedyny dostępny budulec pierwszych gwiazd. Dopiero w nich, zwanych gwiazdami trzeciej populacji, w wyniku fuzji jądrowej mogły zacząć powstawać cięższe pierwiastki – od węgla, po krzem, aż do żelaza. Niektóre, wybuchając jako supernowe, stają się kuźniami jeszcze rzadszych substancji chemicznych. Dopiero z nich mogły powstać pierwsze ziarna kosmicznego pyłu.
Do dziś nie udało się jednoznacznie zaobserwować reprezentantki tego najstarszego pokolenia gwiazd. Możliwości JWST dają jednak nadzieję na kolejną rewolucję, obserwacje w podczerwieni dają zdolność do patrzenia w daleką przeszłość, sięgając epoki pierwszych gwiazd i galaktyk.