ג'יימס ווב חושף את הסודות העשירים בפחמן של דיסקים פרוטופלנטריים

טלסקופ החלל ג'יימס ווב מגלה מגוון גדול של גזים עשירים בפחמן המשמשים כמרכיבים לכוכבי לכת עתידיים סביב כוכב בעל מסה נמוכה מאוד.

מחקר MINDS באמצעות מכשיר ה-MIRI של JWST חשף סביבות כימיות עשירות בפחמן ודלות בחמצן בדיסקות סביב כוכבים בעלי מסה נמוכה מאוד, מה שמצביע על כך שדיסקות אלו יכולות לתמוך ביצירת כוכבי לכת יבשתיים שונים באופן משמעותי מכדור הארץ.

מחשבות והיווצרות כוכבי לכת

כוכבי לכת נוצרים בדיסקות של גז ואבק המקיפות כוכבים צעירים. הקמת דגימת דיסק מייצגת היא יעד של MIRI Mid-INfrared Disk Survey (MINDS), בראשותו של תומס הנינג ממכון מקס פלנק לאסטרונומיה (MPIA) בהיידלברג, גרמניה.

על ידי חקירת הכימיה והתכונות הפיזיקליות שלהם עם MIRI (מכשיר אינפרא אדום באמצע) על סיפון טלסקופ החלל ג'יימס ווב (JWST), שיתוף הפעולה מקשר את הדיסקים הללו למאפיינים של כוכבי לכת שעלולים להיווצר שם. במחקר חדש, צוות חוקרים חקר את הסביבה של כוכב בעל מסה נמוכה מאוד של 0.11 מסות שמש (המכונה ISO-ChaI 147), שתוצאותיו מופיעות בכתב העת מַדָע.

JWST וחקר הדיסקים המעצבים כוכבי לכת

"תצפיות אלו אינן אפשריות מכדור הארץ מכיוון שפליטת הגזים הרלוונטית נספגת באטמוספירה שלו", הסבירה הסופרת הראשית אדיטיה ערבאבי מאוניברסיטת חרונינגן בהולנד. "בעבר, יכולנו לזהות רק פליטת אצטילן (C2H2) מהאובייקט הזה. עם זאת, הרגישות הגבוהה יותר של JWST והרזולוציה הספקטרלית של המכשירים שלה אפשרו לנו לזהות פליטה חלשה ממולקולות פחות שופעות."

שיתוף הפעולה של MINDS מצא גז בטמפרטורות סביב 300 קלווין (כ-30 מעלות צֶלסִיוּס), מועשר מאוד במולקולות נושאות פחמן אך חסר בחמצן מִין. "זה שונה מאוד מההרכב שאנו רואים בדיסקים סביב כוכבים מסוג שמש, שבהם שולטות מולקולות נושאות חמצן כמו מים ופחמן דו חמצני", הוסיפה חברת הצוות אינגה קמפ, אוניברסיטת חרונינגן.

דוגמה בולטת אחת לדיסקה עשירה בחמצן היא זו של PDS 70, שבה תוכנית MINDS מצאה לאחרונה כמויות גדולות של אדי מים. בהתחשב בתצפיות מוקדמות יותר, אסטרונומים מסיקים שדיסקות סביב כוכבים בעלי מסה נמוכה מאוד מתפתחות באופן שונה מאלה סביב כוכבים מסיביים יותר כמו השמש, עם השלכות אפשריות על מציאת כוכבי לכת סלעיים עם מאפיינים דמויי כדור הארץ שם. מכיוון שהסביבות בדיסקים כאלה קובעות את התנאים שבהם נוצרים כוכבי לכת חדשים, כל כוכב לכת כזה עשוי להיות סלעי אך די שונה מכדור הארץ בהיבטים אחרים.

השלכות על כוכבי לכת יבשתיים

כמות החומר ופיזורו על פני אותם דיסקים מגבילים את מספר וגדלים של כוכבי לכת שהדיסק יכול לספק עם החומר הדרוש. כתוצאה מכך, תצפיות מצביעות על כך שכוכבי לכת סלעיים בעלי גדלים דומים לכדור הארץ נוצרים ביעילות רבה יותר מאשר צדק-כמו ענקי גז בדיסקות סביב כוכבים בעלי מסה נמוכה מאוד, הכוכבים הנפוצים ביותר ביקום. כתוצאה מכך, כוכבים בעלי מסה נמוכה מאוד מארחים את רוב כוכבי הלכת הארציים ללא ספק.

"אטמוספרות ראשוניות רבות של כוכבי הלכת הללו יהיו כנראה נשלטות על ידי תרכובות פחמימנים ולא כל כך על ידי גזים עשירים בחמצן כמו מים ופחמן דו חמצני", ציין תומס הנינג. "הראינו במחקר קודם שהובלת גז עשיר בפחמן לאזור שבו נוצרים כוכבי לכת יבשתיים בדרך כלל מתרחשת מהר יותר והוא יעיל יותר בדיסקות האלה מאשר אלו של כוכבים מסיביים יותר."

למרות שנראה ברור שדיסקות סביב כוכבים בעלי מסה נמוכה מאוד מכילים יותר פחמן מחמצן, המנגנון לחוסר איזון זה עדיין לא ידוע. הרכב הדיסק הוא תוצאה של העשרת פחמן או הפחתת החמצן. אם הפחמן מועשר, הסיבה היא כנראה חלקיקים מוצקים בדיסק, שהפחמן שלהם מתאדה ומשתחרר לרכיב הגזי של הדיסק. גרגרי האבק, שהופשטו מהפחמן המקורי שלהם, יוצרים בסופו של דבר גופים פלנטריים סלעיים. כוכבי הלכת האלה יהיו דלים בפחמן, כמו כדור הארץ. ובכל זאת, סביר להניח כי כימיה מבוססת פחמן תשלוט לפחות באטמוספרות העיקריות שלהם המסופק על ידי גז דיסק. לכן, כוכבים בעלי מסה נמוכה מאוד עשויים שלא להציע את הסביבות הטובות ביותר למציאת כוכבי לכת הדומים לכדור הארץ.

גיוון כימי בדיסקים פרוטופלנטריים

כדי לזהות את גזי הדיסק, הצוות השתמש בספקטרוגרף של MIRI כדי לפרק את קרינת האינפרה האדומה שהתקבלה מהדיסק לחתימות של טווחי אורכי גל קטנים – בדומה לאור השמש המתפצל לקשת בענן. בדרך זו, הצוות בודד שפע של חתימות אישיות שיוחסו למולקולות שונות.

כתוצאה מכך, הדיסקה הנצפית מכילה את הכימיה הפחמימנית העשירה ביותר שנראתה עד כה בדיסק פרוטופלנטרי, המורכבת מ-13 מולקולות נושאות פחמן עד לבנזן (C6H6). הם כוללים את זיהוי האתאן החוץ-שמשי הראשון (C2H6), הפחמימן הרווי במלואו הגדול ביותר שזוהה מחוץ למערכת השמש. הצוות גם זיהה בהצלחה אתילן (C2H4), פרופן (C3H4) ואת רדיקל המתיל CH3 בפעם הראשונה בדיסק פרוטופלנטרי. לעומת זאת, הנתונים לא הכילו רמז למים או פחמן חד חמצני בדיסק.

כיוונים עתידיים בחקר כימיה של דיסקים

בשלב הבא, צוות המדע מתכוון להרחיב את המחקר שלהם למדגם גדול יותר של דיסקים כאלה סביב כוכבים בעלי מסה נמוכה מאוד כדי לפתח את הבנתם עד כמה הם נפוצים אזורי כוכבי לכת יבשתיים עתירי פחמן אקזוטיים כאלה. "הרחבת המחקר שלנו תאפשר לנו גם להבין טוב יותר כיצד מולקולות אלו יכולות להיווצר", הסביר תומס הנינג. "מספר מאפיינים בנתונים גם עדיין לא מזוהים, מה שמצדיק ספקטרוסקופיה נוספת כדי לפרש את התצפיות שלנו במלואן."

מדעני MPIA המעורבים במחקר זה הם תומס הנינג, מתיאס סמלנד, ג'וליה פרוטי, ג'רואן בוומן, סילביה שיטאואר, ריקרדו פרנצ'סקי, יורגן שרייבר וקמבר שוורץ.

חוקרים אחרים כוללים את Aditya Arabhavi (אוניברסיטת חרונינגן, הולנד (גרונינגן)), אינגה קאמפ (גרונינגן), Ewine van Dishoeck (אוניברסיטת ליידן, הולנד ומכון מקס פלאנק לפיזיקה חוצנית, גרצ'ינג, גרמניה), ולנטין כריסטיאנס (אוניברסיטת ליאז', בלגיה), ואגנס פרין (Laboratoire de Météorologie Dynamique/IPSL CNRS, פאלאסו, צרפת).

קונסורציום MIRI מורכב מהמדינות החברות ב-ESA בלגיה, דנמרק, צרפת, גרמניה, אירלנד, הולנד, ספרד, שוודיה, שוויץ ובריטניה. ארגוני המדע הלאומיים מממנים את עבודת הקונסורציום – בגרמניה, אגודת מקס פלנק (MPG) והמרכז הגרמני לתעופה וחלל (DLR). המוסדות הגרמניים המשתתפים הם מכון מקס פלאנק לאסטרונומיה בהיידלברג, אוניברסיטת קלן, והנסולדט AG באוברקוכן, לשעבר קארל זייס אופטרוניקס.

JWST הוא מצפה הכוכבים המוביל בעולם למדעי החלל. זוהי תוכנית בינלאומית בהובלת נאס"א במשותף עם שותפיה, ESA (סוכנות החלל האירופית) ו-CSA (סוכנות החלל הקנדית).