Komunikat prasowy

Śnieg w młodym systemie planetarnym

Mroźny punkt zwrotny w powstawaniu planet i komet

18 lipca 2013

Po raz pierwszy sfotografowano linię śniegu w odległym, młodym systemie planetarnym. Linia śniegu, położona w dysku wokół podobnej do Słońca gwiazdy TW Hydrae, może powiedzieć nam wiele o powstawaniu planet i komet, czynnikach decydujących o ich budowie oraz o historii Układu Słonecznego. Wyniki opublikowano dzisiaj w Science Express.

Astronomowie korzystający z Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) uzyskali pierwszy w historii obraz linii śniegu w młodym systemie planetarnym. Na Ziemi linie śniegu formują się na dużych wysokościach nad poziomem morza, gdzie spadająca temperatura zamienia wilgoć z powietrza w śnieg. Takie linie widać wyraźnie na górach, których pokryte śniegiem szczyty przechodzą w skaliste zbocza.

Linie śniegu wokół młodych gwiazd powstają w podobny sposób, w odległych, chłodniejszych obszarach dysków pyłowych, z których powstają systemy słoneczne. Zaczynając od gwiazdy i przemieszczając się na zewnątrz, najpierw zamarza woda (H₂O), tworząc pierwszą linię śniegu. W dalszej odległości od gwiazdy, gdy temperatura dalej spada, zamarzają bardziej egzotyczne cząsteczki, zamieniając się w śnieg (takie jak dwutlenek węgla CO₂, metan CH₄ i tlenek węgla CO). Te różne rodzaje śniegu dają ziarnom pyłu lepką powierzchnię i odgrywają kluczową rolę w pokonaniu przez ziarna tendencji do rozrywania się przy zderzeniach, dzięki czemu mogą stać się podstawowymi blokami budulcowymi planet i komet. Śnieg zwiększa także ilość dostępnej materii w stanie stałym i może znacząco przyspieszyć procesy powstawania planet.

Każda z tych różnych linii śniegu - dla wody, dwutlenku węgla, metanu i tlenku węgla – może być powiązana z powstawaniem poszczególnych typów planet [1]. Wokół gwiazdy podobnej do Słońca, w systemie planetarnym takim jak nasz, linia śniegu wodnego odpowiada odległości pomiędzy orbitami Marsa i Jowisza, natomiast linia śniegu tlenku węgla orbicie Neptuna.

Linia śniegu dostrzeżona przez ALMA jest pierwszym przebłyskiem linii śniegu tlenku węgla wokół TW Hydrae, młodej gwiazdy oddalonej o 175 lat świetlnych od Ziemi. Astronomowie wierzą, że początkujące systemy planetarne posiadają wiele charakterystyk podobnych do Układu Słonecznego, gdy ten miał zaledwie kilka milionów lat.

„ALMA dała nam pierwszy rzeczywisty obraz linii śniegu wokół młodej gwiazdy, co jest niezmiernie ciekawe z powodu tego co może nam powiedzieć o najwcześniejszym okresie historii Układu Słonecznego” powiedział Chunhua “Charlie” Qi (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Cambridge, USA), jeden z dwóch głównych autorów publikacji. „Możemy teraz zobaczyć ukryte wcześniej szczegóły na temat zamarzniętych zewnętrznych części innego systemu planetarnego, podobnego do naszego.”

Ale występowanie linii śniegu tlenku węgla może mieć jeszcze dalsze konsekwencje niż sam proces powstawania planet. Lód tlenku węgla jest niezbędny do utworzenia metanolu, który jest blokiem budulcowym bardziej złożonych cząsteczek organicznych, niezbędnych dla życia. Jeżeli komety przeniosą te cząsteczki na nowo powstałe planety podobne do Ziemi, ciała te będą odpowiednio „wyposażone” w składniki niezbędne dla życia.

Do tej pory linie śniegu nie były nigdy fotografowane bezpośrednio, ponieważ formują się zawsze we względnie wąskiej, centralnej płaszczyźnie dysku protoplanetarnego i nie można było ich precyzyjnie zlokalizować. Powyżej i poniżej wąskiego obszaru, w którym istnieje linia śniegu, promieniowanie gwiazdy uniemożliwia tworzenie się lodu. Koncentracja pyłu i gazu w centralnej płaszczyźnie jest niezbędna do odizolowania obszaru od promieniowania, tak aby tlenek węgla i inne gazy mogły ochłodzić się i zamarznąć.

Zespołowi astronomów udało się zajrzeć w głąb dysku za pomocą sprytnej sztuczki. Zamiast poszukiwać śniegu – którego nie można zaobserwować bezpośrednio – naukowcy szukali molekuły o wzorze N₂H⁺ (ang. diazenylium), która świeci jasno w milimetrowej części widma i dlatego jest idealnym celem dla teleskopu takiego jak ALMA. Ta krucha cząsteczka jest łatwo niszczona przy obecności gazu tlenku węgla, zatem pojawi się w wykrywalnych ilościach tylko w obszarach, w których tlenek węgla zamarzł do postaci śniegu. W istocie, klucz do odnalezienia linii śniegu tlenku węgla znajduje się w odnalezieniu N₂H⁺.

Unikalna czułość i rozdzielczość ALMA pozwoliła astronomom prześledzić występowanie i rozmieszczenie N₂H⁺ i znaleźć wyraźne zdefiniowaną granicę, około 30 jednostek astronomicznych od gwiazdy (30 razy dalej niż dystans Ziemia-Słońce). W efekcie uzyskujemy negatyw obrazu linii śniegu tlenku węgla w dysku otaczającym TW Hydrae, który można wykorzystać do precyzyjnego zobaczenia linii śniegu tlenku węgla w miejscu, w którym teoria przewiduje jego występowanie – przy wewnętrznej krawędzi pierścienia N₂H⁺.

„W naszych obserwacjach użyliśmy zaledwie 26 z docelowej liczby 66 anten ALMA. Wskazania linii śniegu wokół innych gwiazd są już widoczne w innych obserwacjach ALMA i jesteśmy przekonani, że przyszłe badania za pomocą pełnej sieci ujawnią wiele więcej tego typu i innych elementów procesu powstawania i ewolucji planet. Trzeba tylko trochę poczekać" podsumowuje Michiel Hogerheijde z Leiden Observatory w Holandii.

Uwagi

[1] Na przykład suche, skaliste planety powstają po wewnętrznej stronie linii śniegu wodnego (najbliżej gwiazdy), gdzie występuje jedynie pył. Na drugim końcu są olbrzymie lodowe planety, które tworzą się poza linią śniegu tlenku węgla.

Więcej informacji

Międzynarodowy kompleks astronomiczny ALMA działa w ramach partnerstwa pomiędzy Europą, Ameryką Północną i Azją Wschodnią, we współpracy z Chile. ALMA jest finansowana w Europie przez Europejskie Obserwatorium Południowe (ESO), w Ameryce Północnej przez U.S. National Science Foundation (NSF), we współpracy z National Research Council of Canada (NRC) oraz National Science Council of Tajwan (NSC), a w Azji Wschodniej przez National Institutes of Natural Sciences (NINS) of Japan, we współpracy z Academia Sinica (AS) in Taiwan. Konstrukcja i użytkowanie ALMA w imieniu Europy jest kierowane przez ESO, w imieniu Ameryki Północnej przez National Radio Astronomy Observatory (NRAO), zarządzane przez Associated Universities, Inc. (AUI), a w imieniu Azji Wschodniej przez National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ). Joint ALMA Observatory (JAO) umożliwia wspólne kierowanie i zarządzanie konstrukcją, testowaniem i użytkowaniem ALMA.

Wyniki badań zaprezentowano w artykule, który ukaże się 18 czerwca 2013 r. w Science Express.

Skład zespołu badawczego: C. Qi (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, USA), K. I. Öberg (Departments of Chemistry and Astronomy, University of Virginia, USA), D. J. Wilner (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, USA), P. d’Alessio (Centro de Radioastronomía y Astrofisica, Universidad Nacional Autónoma de Mexico, Meksyk), E. Bergin (Department of Astronomy, University of Michigan, USA), S. M. Andrews (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, USA), G. A. Blake (Division of Geological and Planetary Sciences, California Institute of Technology, USA), M. R. Hogerheijde (Leiden Observatory, Leiden University, Holandia) oraz E. F. van Dishoeck (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, Niemcy).

Qi oraz Öberg razem są pierwszymi autorami pracy.

ESO jest wiodącą międzyrządową organizacją astronomiczną w Europie i najbardziej produktywnym obserwatorium astronomicznym na świecie. Jest wspierane przez 15 krajów: Austria, Belgia, Brazylia, Czechy, Dania, Finlandia, Francja, Hiszpania, Holandia, Niemcy, Portugalia, Szwajcaria, Szwecja, Wielka Brytania oraz Włochy. ESO prowadzi ambitne programy dotyczące projektowania, konstrukcji i użytkowania silnych naziemnych instrumentów obserwacyjnych, pozwalając astronomom na dokonywanie znaczących odkryć naukowych. ESO odgrywa wiodącą rolę w promowaniu i organizowaniu współpracy w badaniach astronomicznych. ESO zarządza trzema unikalnymi, światowej klasy obserwatoriami w Chile: La Silla, Paranal i Chajnantor. W Paranal ESO posiada Bardzo Duży Teleskop (Very Large Telescope), najbardziej zaawansowane na świecie astronomiczne obserwatorium w świetle widzialnym oraz dwa teleskopy do przeglądów. VISTA pracuje w podczerwieni i jest największym na świecie instrumentem do przeglądów nieba, natomiast VLT Survey Telescope to największy teleskop dedykowany przeglądom nieba wyłącznie w zakresie widzialnym. ESO jest europejskim partnerem dla rewolucyjnego teleskopu ALMA, największego istniejącego projektu astronomicznego. ESO planuje obecnie 39-metrowy Ogromnie Wielki Teleskop Europejski (European Extremely Large optical/near-infrared Telescope - E-ELT), który stanie się “największym okiem świata na niebo”.

Linki

• Więcej na temat ALMA
• Zdjęcia ALMA
• Komunikat prasowy NRAO

Kontakt

Chunhua Qi
Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics
Cambridge, Mass., USA
Tel.: +1 617 495 7087
E-mail: cqi@cfa.harvard.edu

Michiel Hogerheijde
Leiden Observatory
Leiden, The Netherlands
Tel.: +31 6 4308 3291
E-mail: michiel@strw.leidenuniv.nl

Richard Hook
ESO, Public Information Officer
Garching bei München, Germany
Tel.: +49 89 3200 6655
Tel. kom.: +49 151 1537 3591
E-mail: rhook@eso.org

Krzysztof Czart (Kontakt dla mediów Polska)
Sieć Popularyzacji Nauki ESO oraz Urania - Postępy Astronomii
Toruń, Polska
Tel.: +48 513 733 282
E-mail: eson-poland@eso.org

Śledź ESO w mediach społecznościowych