Zdjęcia planetarnych żłobków
Przez wieki – szczerze mówiąc, aż do niedawna – astronomowie nie mieli pojęcia, jak tworzą się planety. Obserwowali punkciki światła na niebie poruszające się w zgrabny, uporządkowany sposób, ale wiele kluczowych szczegółów dotyczących tego, jak te światy się tam znalazły, pozostawało tajemnicą.
Od tamtych czasów przebyliśmy bardzo długą drogę – i to z niezwykłą prędkością. Dzięki większym teleskopom, precyzyjniejszym instrumentom i zaawansowanym technikom cyfrowego przetwarzania obrazu, próba odpowiedzi na pytanie, jak powstają planety, przestała być spekulacją, a stała się solidną dziedziną badań. I podobnie jak większość nowych dyscyplin naukowych, szybko się rozwija. Kiedyś dysponowaliśmy zaledwie kilkoma obserwacjami embrionalnych układów planetarnych, a dzisiaj, dzięki zapierającemu dech w piersiach tempu odkryć, mamy ich setki.
I faktycznie, astronomowie przeprowadzili ostatnio szczegółowe badania 86 rodzących się rodzin planetarnych. W ten sposób ogromnie powiększyli liczbę obiektów, które naukowcy będą mogli ochoczo analizować. A wraz z tą analizą uzyskamy pełniejsze zrozumienie procesów narodzin gwiazd i planet.
W dawnych dobrych czasach – kiedy jeszcze byłem dzieckiem – wiedza naukowa na temat formowania się planet była znikoma, a wiele rzucanych pomysłów można by śmiało nazwać „dziwacznymi”. Dla przykładu, jeden z nich zakładał, że jakaś gwiazda przeleciała tak blisko naszego Słońca, iż wyrwała z niego włókna materii, a te połączyły się ze sobą, tworząc planety. To całkiem fajny pomysł – jego zwolennicy podeszli bardzo ambitnie do tematu – ale co najmniej naciągany. Po pierwsze, tak bliskie spotkania gwiazd w tej części Galaktyki są niezwykle rzadkie; praktycznie wcale nie występują. W dodatku tego rodzaju rozgrzana słoneczna wstęga uległaby rozproszeniu, a nie rozpadła na uporządkowane, trwałe globy.
Jednak wraz z upływem czasu, dzięki udoskonalaniu obserwacji, hipotezy stawały się coraz bardziej prawdopodobne. Obecnie wiemy, że gwiazdy tworzą się w gigantycznych obłokach gazu zwanych mgławicami, w których najgęściejsze skupiska materii zapadają się pod wpływem własnej grawitacji. Materia ulega spłaszczeniu, tworząc dysk protogwiazdowy, w którym materia wiruje wokół centrum i zasila rodzącą się tam młodą gwiazdę. W końcu dysk – nazywany teraz dyskiem protoplanetarnym – stygnie, a proces formowania planet może się naprawdę rozpocząć. Planety powstają albo z małych obiektów, takich jak kamyki, które sklejają się ze sobą tworząc większe ciała, albo poprzez fragmentację całego dysku, co bezpośrednio prowadzi do powstania dużych obiektów.
O istnieniu takich dysków spekulowano przez dziesięciolecia, ale aż do lat 80. nikt ich nie wykrył. Wtedy to obserwacje jasnej gwiazdy Wega wykazały, że jest ona otoczona pierścieniem pyłu, który jest rozgrzewany przez promieniowanie gwiazdy. Wkrótce takich dysków znaleziono więcej, choć obserwacje nie dostarczały zbyt wielu szczegółów diagnostycznych.
Sytuacja uległa zmianie, gdy w 1997 roku astronauci zainstalowali na Kosmicznym Teleskopie Hubble’a spektrograf STIS (Space Telescope Imaging Spectrograph; Spektrograf Obrazujący Teleskopu Kosmicznego). STIS był w stanie zablokować blask gwiazdy i dostarczyć obrazy o wysokiej rozdzielczości każdego dużego dysku otaczającego gwiazdę. W wielu dyskach odkrytych za pomocą STIS obecne są spiralne ramiona, co wskazuje na istnienie niewidocznych planet, które swoją grawitacją wprawiają dyski w drgania. W innych naukowcy dostrzegli wyraźne luki w dysku, co oznacza, że planety albo przeorują materię i ją zbierają, albo wpompowują energię orbitalną w znajdujące się tam cząstki i zmieniają ich trajektorie. (Pracowałem z STIS i byłem częścią projektu, w ramach którego badano te dyski. W trakcie tych badań pomogłem cyfrowo usunąć światło gwiazdy. Fakt, że byłem jedną z pierwszych osób, które kiedykolwiek zobaczyły szczegóły tych struktur, to dla mnie wielki zaszczyt i radość.)
Od tamtego czasu kontynuowano badania takich dysków i, co niewiarygodne, stały się one jeszcze dokładniejsze. W obserwatorium Duży Milimetrowy/submilimetrowy Układ Atacama (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array; ALMA) w Chile zbadano dziesiątki tych struktur w zakresie widma zbliżonym do radiowego i ujawniono wcześniej niewidoczne szczegóły. Obecnie astronomowie wypełniają lukę między promieniowaniem widzialnym a radiowym za pomocą ogromnego Bardzo Dużego Teleskopu (Very Large Telescope; VLT) Europejskiego Obserwatorium Południowego, również znajdującego się w Chile. Składa się on z czterech gigantycznych 8,2-metrowych teleskopów, a na jednym z nich umieszczono instrument SPHERE (Spectro-Polarimetric High-contrast Exoplanet Research; Spektro-Polarymetryczne Badanie Egzoplanet o Wysokim Kontraście). Jest to kamera o fenomenalnie wysokiej rozdzielczości, która wykonuje zdjęcia tak szczegółowe, że kiedy po raz pierwszy zobaczyłem zrobione za jej pomocą fotografie planetoid z naszego Układu Słonecznego, myślałem, że zrobiono to dowcip.
Każdy z czterech teleskopów VLT jest tak duży, że może zebrać mnóstwo światła i zarejestrować drobne szczegóły, dzięki czemu jest w stanie obserwować wiele gwiazd w fazie tworzenia i dostrzec struktury w otaczającej je materii, które są tworzone przez masywne obiekty, takie jak protoplanety formujące się w dysku. W trzech artykułach opublikowanych w czasopiśmie „Astronomy & Astrophysics” astronomowie przedstawiają wyniki swoich obserwacji układów planetarnych powstających w trzech pobliskich mgławicach w gwiazdozbiorach Oriona, Byka i Kameleona. Każda z tych gwiazdotwórczych fabryk znajduje się tak blisko Ziemi, że potężne kombo VLT-SPHERE jest w stanie ujawnić ogrom szczegółów. Wiele z obserwowanych dysków ma luki i spiralne ramiona, które sygnalizują rozwój planet i, co ważniejsze, ukazują dyski w kontekście ich bezpośredniego otoczenia astrofizycznego.
Dla przykładu, w Obłoku Molekularnym w Byku SPHERE zaobserwował około 20% obiektów klasy II z tej mgławicy (to znaczy takich, w których światło nowo narodzonej gwiazdy dopiero wyłania się z protogwiazdowej mgły). Reprezentują one kompletną próbkę wszystkich gwiazd o masie większej niż 0,4 masy Słońca (pozostałe są zbyt słabe, aby można je wiarygodnie wykryć). Spośród nich prawie dwie trzecie ma słabe dyski, których wcześniej nie widziano ani nie udokumentowano.
Prawie jedna trzecia układów zaobserwowanych w Obłoku Molekularnym w Byku to układy wielokrotne, w których dwie lub więcej gwiazd krąży wokół siebie. Statystyki pokazują, że około połowa wszystkich gwiazd – w odróżnieniu od naszego Słońca – znajduje się w układach wielokrotnych, tak więc badanie formowania się planet w środowiskach podobnych do Tatooine dostarcza wielu interesujących danych na temat tego, w jaki sposób fakt występowania w układzie wielokrotnym wpływa na planety krążące wokół tych gwiazd. Dla przykładu, w jednym z obłoków molekularnych w Kameleonie badanym przez SPHERE dyski występują sporadycznie w układach podwójnych, w których gwieździe o większej masie towarzyszy krążąca blisko druga gwiazda o masie mniejszej. Sugeruje to, że jakiś aspekt takiej konfiguracji hamuje formowanie się dysków planetarnych.
Pojedyncze gwiazdy i dyski nadają się świetnie do poznawania konkretnych warunków fizycznych, potrzebujemy jednak więcej obserwacji, aby uzyskać lepszy obraz powstawania planet – drobne szczegóły możemy zrozumieć tylko wtedy, gdy widzimy, jak wpasowują się one w szerszy obraz. Porównywanie parametrów planetarnych żłobków, w tym ich gęstości, wieku i struktury chemicznej, jest tym, co doprowadzi do takiej syntezy.
Badanie narodzin planet znajduje się w punkcie zwrotnym. W przeszłości obiekty te znajdowano rzadko, ale obecnie wykrywamy je hurtowo. Często powtarzam, że nowe dziedziny wiedzy powstają wtedy, kiedy nagle przechodzimy od zbierania znaczków do zoologii – od „znaleźliśmy kolejny z tych dziwnych obiektów!” do „mamy ich już tak dużo, że zaczynamy zauważać prawidłowości i dostrzegać podstawowe mechanizmy, które je wywołują”.
Wciąż pozostaje wiele nierozstrzygniętych kwestii dotyczących powstania naszego Układu Słonecznego i jego trwającej eony ewolucji aż do osiągnięcia obecnej konfiguracji. Kluczowym krokiem w kierunku udzielenia na nie odpowiedzi jest przeprowadzenie obserwacji, które pozwolą znaleźć głębsze powiązania między innymi układami planetarnymi a naszym.
Może się wydawać, że astronomia to badanie wszystkiego, co znajduje się nad naszymi głowami, ale w rzeczywistości zajmuje się ona również tym, co jest pod stopami.
***
Phil Plait jest zawodowym astronomem i popularyzatorem nauki mieszkającym w Wirginii. Pisze biuletyn „Bad Astronomy Newsletter". Śledź go na platformie Beehiiv.