Łukasz Tychoniec: Wykonaliśmy bardzo ważny krok w kierunku zrozumienia składu budulców planet takich jak Ziemia

Jest 26 lipca 2023 r. Znajdujący się ponad 1,5 mln km od Ziemi Teleskop Kosmiczny Jamesa Webba dokładnie od godz. 06.51 do godz. 10.24 czasu europejskiego wpatruje się w wybrany przez nasz zespół obiekt – powstającą gwiazdę o nazwie BHR71-IRS1. Ten cel wytypowaliśmy jeszcze w 2016 r., kiedy zaczynałem doktorat na Universiteit Leiden. Moja nowa szefowa podała mi długą listę powstających gwiazd, z których miałem wybrać te, na które warto wykorzystać cenny czas teleskopu. Konieczne okazały się liczne cięcia, lista się kurczyła. Protogwiazda BHR71 utrzymała się jednak do końca. Zadecydował dość spektakularny, rozciągający się na dziesiątki tysięcy jednostek astronomicznych wypływ molekularny, który rozbudzał naszą wyobraźnię.

Wypływ molekularny jest pierwszym sygnałem, że w obłoku dorasta nowe ciało niebieskie. Młoda gwiazda, nie będąc w stanie pochłonąć całej materii wokół siebie, wyrzuca ją z prędkością setek kilometrów na sekundę. Ten superszybki gaz zderza się z chłodnymi gazem i pyłem w otoczeniu, tworząc szoki – rozgrzany do kilku tysięcy stopni gaz świeci jasno w podczerwieni i wyróżnia się na tle ciemnej chmury. Od dekad obserwowano efekty wyrzutów gazu z protogwiazdy BHR71, jednak dopiero przy użyciu JWST jesteśmy w stanie zobaczyć silnik napędowy tego zamieszania – protogwiezdny dżet pełen zjonizowanego gazu.

W właśnie zaakceptowanym do publikacji w „Astronomy & Astrophysics” artykule przyglądamy się z bliska temu spektakularnemu obiektowi. Kluczem do wyliczenia własności fizycznych i składu chemicznego gazu był instrument MIRI, który potrafi jednocześnie obrazować i rozszczepiać światło w każdym pikselu jak w pryzmacie. Dzięki temu staje się możliwe stworzenie mapy składu chemicznego protogwiezdnego wyrzutu gazu.

Zaobserwowaliśmy, jak neon, argon, siarka, nikiel, chlor i żelazo przemieszczają się z zawrotną prędkością ponad 200 kilometrów na sekundę, otoczone kokonem molekularnego wodoru. Znając prędkość dżetu, możemy cofnąć się w czasie i zmierzyć, jak dawno wyrzucona została konkretna porcja gazu: „nasz” dżet ma niespełna 35 lat! Kiedy więc ja przychodziłem na świat, gwiazda BHR71 prawdopodobnie akurat pojaśniała w podczerwieni, wyrzucając ten konkretny strumień gazu. To może trochę zbyt banalne, ale po kilku latach badań można się przywiązać do swojej gwiazdy. Zresztą wszystko, na co patrzymy, wydarzyło się dawno temu – wszak cały obłok, w którym skryta jest nowa gwiazda, znajduje się 580 lat świetlnych od nas.

BHR71 okazała się skrywać wiele niespodzianek. Pierwszą było dla mnie wykrycie jonów kobaltu w protogwiezdnym dżecie. Dlaczego to zaskakujące? Na 10 mln atomów wodoru w naszym Słońcu przypada zaledwie jeden atom kobaltu. I oczywiście, Słońce – tak jak i cała materia wszechświata – składa się głównie z wodoru. Nawet żelaza w kosmosie jest 320 razy więcej niż kobaltu! Kobalt, tak jak żelazo i nikiel, w przestrzeni kosmicznej zazwyczaj znajdujemy w ziarnach pyłu. To, że tutaj występuje w stanie gazowym, jest jednoznaczną informacją, że ziarna pyłu w tym protogwiezdnym dżecie ulegają zniszczeniu.

Największe zaskoczenie było jednak dopiero przed nami. Na zdjęciach z Teleskopu Webba łatwo zauważyć, że gwiazdy nie prezentują się jako punkciki, ale jako byty wieloramienne. To nie efekt artystyczny – tak wygląda światło obiektu punktowego po dotarciu do kamery przez wiele luster i lusterek teleskopu. Oznacza to, że każdy jasny obiekt pozostawia po sobie charakterystyczny kształt, który może przesłaniać najbliższe otoczenie gwiazdy. Gdy udało nam się uporać z tym efektem okazało się, że protogwiezdny dżet nie świeci wyłącznie gorącym gazem. Wyrzuca spore ilości pyłu, który rozgrzany do kilkuset stopni świeci w podczerwieni!

Nowe odkrycia stawiały przed nami kolejne pytania. Mierząc temperaturę pyłu otrzymaliśmy temperatury od 200 do 400 kelwinów (-70–130 stopni Celsjusza). Jak na kosmiczne warunki to sporo, szczególnie dla ziaren pyłu w odległości kilku tysięcy jednostek astronomicznych od protogwiazdy. Chwilę zajęło nam przekonanie się, że w energetycznych zderzeniach superszybkiego gazu pył może rozgrzewać się aż tak bardzo. Modele fizyczne jednak to potwierdzają.

Obecność pyłu i metali typowo znajdowanych właśnie na jego ziarnach – odkrywają przed nami nowe perspektywy. Możemy badać skład pyłu, który jest wyrzucany z najbardziej wewnętrznych rejonów dysku protoplanetarnego, miejsca, w którym powstają planety skaliste. Wykonaliśmy bardzo ważny krok w kierunku zrozumienia składu budulców planet takich jak Ziemia.