وب (Webb) «دود» ناشی از برخورد اکسوکومت‌ها را در اطراف یک ستارهٔ نزدیک شناسایی می‌کند

تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) در کشفی دیگر که به‌تازگی به‌صورت پیش‌چاپ در arXiv از سیسرو لو از رصدخانه جمیفی و همکارانش در دسترس است، مشارکت داشته است. این بار، پیشرفته‌ترین تلسکوپ فضایی بشر برای اولین بار در یک دیسک باقی‌ماندهٔ پرو‌سیاره‌ای، کربن‌منکسید فلورسنت در نور فرابنفش (UV) را شناسایی کرد. همچنین برخی ویژگی‌های این دیسک را کشف کرد که تأثیرات مهمی بر نظریهٔ شکل‌گیری سیارات دارند.

ستاره HD 131488 یک ستارهٔ نسبتاً جوان (حدود ۱۵ میلیون ساله) در زیرگروه Upper Centaurus Lupus، در (بدیهی است) صورت‌ستارهٔ قنطیر، حدود ۵۰۰ سال نوری از ما فاصله دارد. این ستاره به‌عنوان «ستارهٔ اولیهٔ نوع A» طبقه‌بندی می‌شود، به این معنی که هم داغ‌تر و هم جرم بیشتری نسبت به خورشید ما دارد. همچنین این اولین بار نیست که دیسک آن مورد مقاله‌ای بوده است.

مطالعات قبلی انجام‌شده توسط ALMA که در فرکانس‌های رادیویی کار می‌کرد، مقدار عظیمی از گاز CO «سرد» و غبار را در فاصله‌ای تقریباً ۳۰ تا ۱۰۰ AU از ستاره شناسایی کرد. داده‌های اولیهٔ زیرنوری از رصدخانه جمیفی و مرکز تلسکوپ زیرنوری ناسا (IRTF) نشان داد که احتمالاً غبار داغ و برخی ویژگی‌های حالت‌جامد در ناحیهٔ داخلی ستاره وجود دارد. مطالعات نوری اضافی حتی به وجود «گاز اتمی گرم» مانند کلسیم و پتاسیم در دیسک داخلی اشاره کردند؛ که این گاز متفاوت از CO است، زیرا CO به‌طور تعریف یک مولکول است.

ویدئویی که شکل‌گیری سیارات در یک دیسک پرو‌سیاره‌ای را نشان می‌دهد. اعتبار – ویدئوی NASA

اما کلید درک واقعی آنچه در بخش داخلی دیسک رخ می‌داد، در طیف زیرنوری نهفته بود و این همانجایی است که JWST می‌درخشد. یا به عبارت دقیق‌تر، جایی که داده‌های مربوط به چیزهایی که در آن می‌درخشند را جمع‌آوری می‌کند. هنگامی که این تلسکوپ توجه خود را به HD 131488 معطوف کرد – که این کار را احتمالاً تنها حدود یک ساعت در فوریهٔ ۲۰۲۳ انجام داد – مقدار کمی از گاز CO «گرم» یافت که معادل حدود صد هزار برابر جرم گاز سرد در دیسک بیرونی است.

این گاز در بازهٔ ۰٫۵ تا ۱۰ AU پخش شده بود و دو ویژگی جالب داشته است. اولاً، اختلافی بین دمای «لرزی» و دمای «چرخشی» وجود داشت. دمای لرزی گاز نشان‌دهندهٔ سرعت ارتعاشات اتم‌ها درون مولکول است، در حالی که دمای چرخشی نمایانگر سرعت چرخش مولکول‌هاست که معادل انرژی جنبشی می‌باشد. در یک حالت گاز عادی، مانند گازی که در یک اتاق معمولی می‌یابید، این دو دما مساوی هستند، زیرا برخوردهای ذرات آن‌ها را به تعادل حرارتی محلی (Local Thermal Equilibrium) می‌رساند.

با این حال، در اطراف HD 131488 این اختلاف بسیار بزرگ است. دمای چرخشی مولکول CO حداکثر حدود ۴۵۰ K است (و در فاصلهٔ بیشتری از ستاره به ۱۵۰ K کاهش می‌یابد)، در حالی که دمای لرزی آن به‌طور شگفت‌انگیزی ۸۸۰۰ K است که با تابش فرابنفش ستاره میزبان هم‌خوانی دارد. این نشان می‌دهد که این گازها در تعادل حرارتی نیستند و همچنین توجیه می‌کند که چرا مولکول‌ها فلورسانس گرم نشان می‌دهند.

*تصادم‌های شهاب‌ستاره‌ای در یک دیسک پرو‌سیاره‌ای. اعتبار – NASA / JPL-Caltech*

نسبت کاربن‑12 به C‑13 نیز برای این نوع محیط بالا یافت شد که نشان می‌دهد احتمالاً برخی دانه‌های غبار در ابر گاز گرم پراکنده گیر کرده‌اند و نور را مسدود می‌سازند. علاوه بر این، برای تولید الگوی نوری که JWST پیدا کرد، CO به «هم‌پرتبارهای برخوردی» نیاز دارد – مولکول‌های دیگری که به آن برخورد می‌کنند و انرژی برخی از آن را می‌جذبند. دو هم‌پرتبار ممکن مورد بررسی قرار گرفتند؛ هیدروژن کمتر محتمل به نظر می‌رسید، در حالی که بخار آب حاصل از نابودی شهاب‌ستاره‌ها توسط ستاره به‌نظر محتمل‌تر بود.

این فرضیهٔ «اِکسوکومتری» یکی از یافته‌های کلیدی مقاله است. دانشمندان مدت‌ها است دربارهٔ منشأ این دستهٔ نسبتاً نادر از دیسک‌های باقی‌ماندهٔ غنی از CO، مانند HD 131488، و چگونگی نگه‌داشتن گاز آن‌ها بحث می‌کردند. دو نظریه برای توضیح این پدیده مطرح شده‌اند: نخست، دیسک‌های غنی از CO صرفاً باقی‌مانده‌ای از تولد ستاره هستند؛ دوم، گاز به‌صورت مداوم توسط شهاب‌ستاره‌های نابودشده تجدید می‌شود.

نتایج این مطالعه به‌وضوح از توضیح دوم حمایت می‌کند. اما این نتایج نیز پیامدهایی برای شکل‌گیری سیارات دارند. از آنجایی که مقدار قابل‌توجهی کربن و اکسیژن در این «منطقهٔ زمینی» دیسک وجود داشت و کمبود هیدروژن مشاهده شد، هر سیاره‌ای که در این ناحیه شکل بگیرد دارای «فلزگی» بالایی (یعنی عناصری غیر از هیدروژن) خواهد بود. این امر سیارات را از سحابی‌های اولیهٔ غنی از هیدروژن متمایز می‌کند.

در نهایت، این کشفیات نخستین از نوع خود دقیقاً همان کاری است که JWST برای آن ساخته شده است و از زمان پرتاب خود به‌صورت مداوم این دستاوردها را به‌دست آورده است. بدون شک، سامانه‌های ستاره‌ای بیشتری مشابه HD 131488 وجود دارند که می‌توانند شواهد بیشتری برای بحث در مورد دیسک‌های غنی از CO ارائه دهند، اما در حال حاضر این مقاله شواهد فراوانی دربارهٔ چگونگی شکل‌گیری این سامانه‌های نسبتاً نادر ارائه می‌دهد.

اطلاعات بیشتر:

C. X. Lu و همکاران – JWST/NIRSpec انتشار CO گرم در ناحیهٔ زمین‌مانند HD 131488

UT – چرا سیارات سنگی زودتر شکل می‌گیرند: نظرسنجی ALMA نشان می‌دهد دیسک‌های تشکیل‌دهندهٔ سیارات گاز را سریع‌تر از غبار از دست می‌دهند

UT – ستاره‌شناسان نواحی غنی از کربن را می‌بینند که در آن‌ها سیارات در حال شکل‌گیری هستند

UT – دیسکی پرو‌سیاره‌ای که از بلوغ خود امتناع می‌کند