A NASA James Webb-űrteleszkópja egy vitatott, több mint 20 éve a Hubble-űrtávcsővel tett felfedezést igazolt, ezzel megoldva egy régóta fennálló tudományos rejtélyt.

2003-ban a Hubble bizonyítékot talált egy hatalmas bolygó létezésére, amely egy rendkívül öreg, az univerzum korával szinte megegyező korú csillag körül kering. Az ilyen csillagok azonban csak nagyon kevés olyan nehezebb elemet tartalmaznak, amelyek a bolygók építőkövei. A felfedezés arra utal, hogy bolygók már akkor is kialakultak, amikor az univerzum még nagyon fiatal volt. Ezeknek a bolygóknak tehát volt elegendő idejük arra, hogy a kezdeti korongokban kifejlődjenek és hatalmas méretűvé nőjenek, még a Jupiter méretét is meghaladva. De ez hogyan volt lehetséges? A kérdés hosszú ideig megválaszolatlan maradt.

A kutatók, hogy választ találjanak, a Webb-űrtávcsövet használták egy közeli galaxis csillagainak tanulmányozására, amely, hasonlóan az univerzum korai időszakához, nem tartalmaz nagy mennyiségű nehezebb elemet. Azt találták, hogy ezek közül a csillagok közül nemcsak néhánynál észlelhető bolygókeletkezési koronggal, hanem ezek a korongok hosszabb ideig maradnak fenn, mint amiket Tejútrendszer fiatal csillagai körül megfigyeltek.

„A Webb révén jelentős megerősítést kaptunk arról, amit a Hubble-lel láttunk, és újra kell gondolnunk, hogyan modellezzük a bolygók kialakulását és fejlődését az univerzum fiatal korában” – mondta Guido De Marchi, a kutatás vezetője, aki az Európai Űrkutatási és Technológiai Központban (ESTEC) dolgozik Noordwijkban, Hollandiában.

A James Webb-űrteleszkóp közeli infravörös képe a Kis Magellán-felhőben található NGC 346-ról csillaghalmazról. A képen a sárga körök jelzik a tanulmányban vizsgált 10 csillag helyzetét.

A korai univerzumban a csillagok túlnyomórészt hidrogénből és héliumból keletkeztek, és csak nagyon kevés nehezebb elem, pl. szén és vas állt rendelkezésre. Ezek a nehezebb elemek később, a szupernóva-robbanások során jöttek létre.

„A jelenlegi modellek azt jósolják, hogy a kevés nehezebb elemet tartalmazó korongok élettartama rendkívül rövid, olyannyira, hogy a bolygók nem képesek nagyra nőni” – nyilatkozta Elena Sabbi, a Gemini Obszervatórium vezető tudósa, a kutatócsoport tagja. „A Hubble mégis észlelte ezeket a bolygókat, így felmerül a kérdés: mi van, ha a modellek nem voltak helyesek, és a korongok hosszabb ideig fennmaradhatnak?”

Ennek az ötletnek a tesztelésére a tudósok a Webb-űrtávcsövet a Kis Magellán-felhőre irányították, amely a Tejútrendszer egyik legközelebbi szomszédos törpegalaxisa. Vizsgálataik leginkább a nagytömegű NGC 346 halmazra összpontosultak, amelyben jelenleg is jelentős csillagkeletkezés zajlik, azonban viszonylag kevés nehezebb elemet tartalmaz. Ez a halmaz jól modellezi a korai, távoli univerzumban található hasonló csillagkeletkezési területeket.

Az NGC 346 a Hubble (bal oldali) és a James Webb űrtávcső (jobb oldali) képein. Míg a Hubble-kép inkább ködösséget mutat, a Webb-űrtávcső „tekintete” áthatol ezeken a felhőkön, és jobban felfedi a halmaz szerkezetét.

A Hubble-űrtávcső 2000-es évek közepén végzett megfigyelései azt mutatták, hogy az NGC 346 számos, kb. 20-30 millió éves csillagai körül még mindig megtalálhatók a bolygókeletkezési korongok. Ez ellentmondott annak az általános vélekedésnek, hogy az ilyen korongok 2-3 millió év után szétszóródnak.

„A Hubble-megfigyelések ellentmondásosak voltak, mivel nemcsak a saját galaxisunk empirikus bizonyítékaival, hanem a jelenlegi modellekkel is szembementek” – mondta De Marchi. „Ez érdekes volt, de anélkül, hogy ezeknek a csillagoknak a színképét meg tudtuk volna figyelni, nem tudtuk biztosan megállapítani, hogy valódi akkréciónak és korongok jelenlétének vagyunk tanúi, vagy csupán valamilyen mesterséges hatásról van szó.”

A Webb érzékenységének és felbontásának köszönhetően a tudósok most először kaptak színképeket is ezekről a keletkező, Napunkhoz hasonló csillagokról és azok közvetlen környezetéről egy közeli galaxisban.

„Azt látjuk, hogy ezeket a csillagokat valóban korongok veszik körül, és még mindig anyagot nyelnek el, annak ellenére, hogy viszonylag öregek, koruk 20-30 millió év” – mondta De Marchi. „Ez azt is jelenti, hogy a bolygóknak több idejük van kialakulni és növekedni ezen csillagok körül, mint a saját galaxisunk közeli csillagkeletkezési területeiben.”

A tanulmányban szereplő 10 csillag egyikének színképét a sárga színű vonal mutatja. A forró atomi hélium spektrális ujjlenyomatait a bal oldali vörös sáv, a hideg molekuláris hidrogénét a kék sáv, a forró atomos hidrogénét a jobb oldali vörös sáv emeli ki. Bíbor színnel a csillaghoz képest kissé eltolt spektrum látható, amely csak a háttérkörnyezet fényét tartalmazza, amelyből hiányzik a hideg molekuláris hidrogén spektrumvonala.

A felfedezés cáfolja azokat a korábbi előrejelzéseket, amelyek szerint ha a korong körüli gázban nagyon kevés a nehezebb elem, a csillag gyorsan szétfújná a korongot. Így a korong élettartama rendkívül rövid lenne, kevesebb, mint egymillió év. Azonban ha egy korong nem marad elég ideig a csillag körül ahhoz, hogy a porszemcsék összetapadjanak és kavicsokká alakuljanak és egy bolygó magját képezzék, akkor hogyan jöhetnek létre bolygók?

A kutatók szerint két különálló mechanizmus, vagy akár ezek kombinációja is létezhet, amelyek lehetővé teszik a bolygókeletkezési korongok fennmaradását a nehezebb elemekben szegény környezetekben.

Az egyik elmélet szerint a korong szétfújásához a csillag sugárnyomást fejt ki. Ahhoz, hogy ez a nyomás hatékony legyen, a hidrogénen és héliumon kívül nehezebb elemeknek is jelen kellene lenniük a gázban. Azonban az NGC 346 nevű nagytömegű csillaghalmaz a Napunk kémiai összetételében előforduló nehezebb elemeknek csak körülbelül tíz százalékát tartalmazza. Talán egyszerűen csak tovább tart, míg egy ilyen halmazban lévő csillag szétszórja a korongját.

A második elmélet azon alapul, hogy egy naptípusú csillag kialakulásához nagyobb gázfelhő szükséges, ha kevés a nehezebb elem. Egy nagyobb gázfelhő nagyobb korongot eredményez, így több anyag található a korongban, ezért hosszabb időbe telik a korong szétfújása, még akkor is, ha a sugárnyomás ugyanúgy működik.

„Ha több anyag van a csillagok körül, az akkréció hosszabb ideig tart” – mondta Sabbi. „A korongok tízszer hosszabb ideig maradnak fenn. Ez hatással van arra, hogyan alakulnak ki a bolygók, és milyen rendszerek jöhetnek létre az ilyen környezetekben.”

A kutatócsoport tanulmánya a The Astrophysical Journal december 16-i számában jelent meg.

Forrás: NASA