جیمز وب شیمی دیسک‌های اطراف ستاره‌های جوان را بررسی می‌کند!!

مفهوم هنری از یک دیسک تشکیل سیاره در اطراف یک ستاره جوان. اخترشناسان با استفاده از طیف‌نگار MIRI در جیمزوب چندین ترکیب شیمیایی را در نواحی مرکزی اولین مجموعه از دیسک‌های تشکیل‌دهنده سیاره در اطراف ستاره‌های جوان کشف کردند. این مولکولها شامل چندین گونه هیدروکربنی مانند بنزن و دی‌اکسید کربن و همچنین آب و گاز سیانید هستند. اعتبار: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO) / MPIA

محققان با استفاده از تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) شیمی دیسک‌های اطراف ستاره‌های جوان را بررسی می‌کنند که محل تشکیل سیارات سنگی هستند. در حال حاضر در آن مرحله، داده‌ها نشان می‌دهد که دیسکها از نظر شیمیایی متنوع و غنی از مولکولهایی مانند آب، دی اکسید کربن، و ترکیبات هیدروکربنی آلی مانند بنزن و همچنین دانه‌های ریز کربن و سیلیکات هستند. برنامه رصدی MINDS وب به رهبری MPIA که چندین مؤسسه تحقیقاتی اروپایی را گرد هم می‌آورد، وعده می‌دهد که دیدگاهی انقلابی در مورد شرایط قبل از تولد سیارات ارائه دهد و در همان زمان، ترکیبات آنها را تعیین کند.

مشاهدات جدید نسبت به نمونه‌ای از دیسک‌های تشکیل‌دهنده سیاره در اطراف ستارگان جوان به‌دست‌آمده با ابزار فروسرخ میانی (MIRI) در تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) اولین نگاهی به چگونگی تقویت این ابزار قدرتمند در درک ما از شکل‌گیری سیاره‌های زمینی ارائه می‌کند. ستاره شناسان 11 کشور اروپایی در پروژه MINDS (MIRI Mid-Infrared Disk Survey) گرد هم آمده اند تا شرایط مناطق داخلی چنین دیسک هایی را که انتظار می رود سیارات سنگی از گاز و غبار موجود در آنها تشکیل شوند، بررسی کنند. آنها گام بعدی را برای رمزگشایی از شرایط دیسک‌های تشکیل‌دهنده سیاره برمی‌دارند – پیش‌نیازی برای شناسایی فرآیندهای منتهی به اجرام جامد، مانند سیارات و دنباله‌دارها که منظومه‌های سیاره‌ای را تشکیل می‌دهند.

نتایج اولیه ارائه شده در دو مقاله، تنوع گهواره‌های سیارات سنگی را نشان می‌دهد. دیسکها از محیط‌های غنی از ترکیبات حاوی کربن، از جمله مولکول‌های آلی پیچیده مانند بنزن، تا آگلومراهای حاوی دی‌اکسید کربن و ردپایی از آب را در بر می‌گیرد. مانند اثر انگشت، این مواد شیمیایی نشانگرهای قابل شناسایی منحصر به فردی را در طیفهایی تولید می‌کنند که ستاره‌شناسان با مشاهدات خود به دست آورده‌اند، یک طیف، نمایش رنگین کمانی مانند نور است یا مانند این مورد، تابش مادون قرمز، آن را به رنگهایی تقسیم می‌کند که از آن تشکیل شده است.

توماس هنینگ، مدیر موسسه نجوم ماکس پلانک (MPIA) در هایدلبرگ آلمان می گوید: «ما تحت تاثیر کیفیت داده‌های تولید شده MIRI هستیم. او محقق اصلی (PI) برنامه زمان مشاهده (GTO) MINDS جیمز وب است. این انبوه خطوط طیفی نه تنها ترکیب شیمیایی مواد دیسک را آشکار می‌کند که در نهایت به سیارات و اتمسفر آنها تبدیل می‌شود، بلکه به ما اجازه می‌دهد تا شرایط فیزیکی مانند چگالی و دما را در داخل و داخل آن دیسک‌های تشکیل‌دهنده سیاره، دقیقاً در محل رشد سیارات تعیین کنیم. .”

سیرا گرانت، کارشناس ارشد موسسه ماکس پلانک برای فیزیک فرازمینی (MPE) در گارچینگ، آلمان، می‌گوید: «اکنون می‌توانیم اجزای شیمیایی موجود در آن دیسک‌ها را با دقت بیشتری مطالعه کنیم. او نویسنده اصلی مقاله‌ای در مورد تجزیه و تحلیل دیسک اطراف یک ستاره جوان کم جرم است که در مجله Astrophysical Journal Letters منتشر شد. گرانت توضیح می دهد: “دیسک داخلی گرم اطراف GW Lup به نظر نسبتاً خشک است. در حالی که ما به وضوح مولکول‌های حاوی کربن و اکسیژن را شناسایی کردیم، آب بسیار کمتر از حد انتظار وجود دارد.”

یک شکاف در اطراف ستاره مرکزی بدون گاز، کمبود آب را توضیح می‌دهد. گرانت می‌گوید: «اگر این حفره تا بین خطوط برفی آب و دی‌اکسید کربن گسترش یابد، توضیح می‌دهد که چرا بخار آب کمی در آنجا پیدا می‌کنیم. خطوط برفی مناطق حلقه مانند را در فواصل مختلف از ستاره نشان می‌دهد که در آن دما به مقادیری می‌رسد که گونه‌های شیمیایی خاصی یخ می‌زنند. خط برف آب به ستاره نزدیکتر از خط برف دی‌اکسید کربن است.

بنابراین، اگر یک حفره فراتر از خط برف آب گسترش یابد، گاز خارج از این محیط همچنان حاوی دی اکسید کربن است اما آب کمی دارد. هر سیاره‌ای که در آنجا شکل می‌گیرد در ابتدا نسبتاً خشک خواهد بود. بنابراین، اجرام کوچک یخی مانند دنباله‌دارهای منظومه سیاره‌ای بیرونی می‌توانند تنها منبع قابل توجه آب باشند. از سوی دیگر، اگر سیاره‌ای در تعامل با دیسک مسئول چنین شکافی باشد، نشان می‌دهد که سیاره در طول شکل‌گیری‌اش آب انباشته کرده است.

این تیم همچنین برای اولین بار نسخه بسیار کمیاب‌تری از مولکول دی‌اکسید کربن را در یک دیسک پیش سیاره‌ای حاوی اتم کربن شناسایی کردند که کمی سنگین‌تر از نوع بسیار رایج‌تر است. برخلاف دی‌اکسید کربن معمولی که فقط سطح دیسک گرم‌تر را بررسی می‌کند، تابش برادر سنگین‌تر می‌تواند از لایه‌های عمیق‌تر و خنک‌تر دیسک بگریزد. این تجزیه و تحلیل منجر به دماهایی از حدود 200 کلوین (75- درجه سانتیگراد) در نزدیکی صفحه میانی دیسک تا تقریباً 500 کلوین (+225 درجه سانتیگراد) در سطح آن می‌شود.

این تصویر طیف MIRI دیسک اطراف ستاره جوان GW Lup را در محدوده بین 13.5 تا 16.5 میکرون نشان می دهد. دانشمندان با مدل‌سازی محتوای شیمیایی، طیف اندازه‌گیری شده (پانل بالا، خط سیاه) را بازتولید کردند. مدل کل (پانل بالا، ناحیه قرمز) ترکیبی از مولکول‌ها (پانل پایین) مانند دی اکسید کربن (CO2، سبز و بنفش)، آب (H2O، آبی)، سیانید هیدروژن (HCN، نارنجی)، هیدروکسیل (OH، صورتی)، و استیلن (C2H2، زرد). همچنین به طیف تعاملی در: https://www.mpia.de/scivis/gwlup مراجعه کنید. اعتبار: S. Grant و همکاران / MPIA

شیمی کربن غنی در یک دیسک در اطراف یک ستاره بسیار کم جرم

به نظر می‌رسد که زندگی به کربن نیاز دارد و ترکیبات پیچیده‌ای را تشکیل می‌دهد. در حالی که مولکول‌های ساده حاوی کربن مانند مونوکسید کربن و دی‌اکسید کربن در اکثر قرص‌های تشکیل‌دهنده سیاره نفوذ می‌کنند، شیمی هیدروکربنی غنی دیسک زیر کاملاً غیرعادی است.

بنوئیت تابون، محقق CNRS در انستیتو اخترفیزیک فضایی، دانشگاه پاریس-ساکلی، فرانسه می‌گوید: طیف دیسک اطراف ستاره کم‌جرم J160532 گاز هیدروژن گرم و ترکیبات هیدروژن-کربن را در دمای حدود 230 درجه سانتی‌گراد نشان می‌دهد. قوی ترین سیگنال طیفی از مولکول‌های استیلن داغ سرچشمه می‌گیرد که هر کدام از دو اتم کربن و دو اتم هیدروژن تشکیل شده است.

دیگر گازهای به همان اندازه گرم مولکول های آلی دی استیلن و بنزن هستند که اولین کشف در یک دیسک پیش سیاره ای و احتمالاً متان نیز هستند. این تشخیص‌ها نشان می‌دهد که این دیسک حاوی کربن بیشتری نسبت به اکسیژن است. چنین ترکیبی در ترکیب شیمیایی می تواند بر جو سیاراتی که در آنجا شکل می گیرند نیز تأثیر بگذارد. در مقابل، آب تقریباً وجود ندارد. در عوض، بیشتر آب ممکن است در سنگریزه های یخی دیسک بیرونی سردتر محبوس شده باشد که با این مشاهدات قابل ردیابی نیست.

فوران ستارگان جوان دانه‌هایی را برای سیارات تولید می‌کند

علاوه بر گاز، ماده جامد جزء معمولی دیسک های پیش سیاره ای است. بخش اعظم آن از دانه‌های سیلیکات، عمدتاً ماسه ریز تشکیل شده است. آنها از نانوذرات به دانه‌های میکرونی با ساختار تصادفی رشد می‌کنند. وقتی گرم می‌شوند، می‌توانند ساختارهای کریستالی به خود بگیرند. اثری که توسط تیمی به سرپرستی آگنس کوسپال (MPIA و رصدخانه کونکولی، بوداپست، مجارستان) منتشر شده است که بخشی از برنامه MINDS نیست، نشان می‌دهد که چگونه چنین کریستال هایی ممکن است وارد سنگریزه های سنگی شوند که در نهایت سیارات زمینی را می‌سازند. دانشمندان چنین کریستالهایی را در دنباله‌دارها و پوسته زمین نیز پیدا می‌کنند.

این تیم کریستال‌هایی را که سال‌ها پیش در دیسک اطراف ستاره EX Lup که به طور مکرر فوران می‌کند، کشف کردند، که تازه پس از طغیان اخیر بهبود یافته بود. گرمای لازم برای فرآیند تبلور را فراهم می‌کرد. پس از مدتی غیبت، این کریستال‌ها اکنون دوباره در طیف‌های خود ظاهر شدند، البته در دمای بسیار پایین‌تر و آنها را از ستاره دورتر می‌کرد. این کشف مجدد نشان می‌دهد که طغیان‌های مکرر ممکن است در تأمین برخی از بلوک‌های سازنده سیستم‌های سیاره‌ای ضروری باشد.

این تصویر طیف MIRI دیسک را در اطراف ستاره جوان J160532 در محدوده بین 14.5 تا 16.0 میکرون نشان می دهد که انتشار استیلن غالب حذف شده است. دانشمندان با مدل‌سازی محتوای شیمیایی، طیف اندازه‌گیری شده (پانل بالا، خط سیاه) را بازتولید کردند. مدل کل (پانل بالا، ناحیه قرمز) ترکیبی از مولکول‌ها (پانل پایین) مانند دی اکسید کربن (CO2، آبی)، بنزن (C6H6، قرمز)، استیلن (C2H2، سبز) و دی استیلن (C4H2، نارنجی) است. . همچنین به طیف تعاملی در: https://www.mpia.de/scivis/j160532 مراجعه کنید. اعتبار: B. Tabone و همکاران / MPIA

عصر طلایی تحقیقات نجومی

این نتایج نشان می‌دهد که جیمزوب آغازگر عصر طلایی جدیدی در تحقیقات نجومی است. در حال حاضر در آن مرحله اولیه، یافته‌ها راهگشا هستند. هنینگ اعلام می‌کند: «ما مشتاقانه منتظر اخبار دیگری هستیم که جیمزوب به ارمغان خواهد آورد. در مجموع، برنامه MINDS دیسک 50 ستاره جوان کم جرم را هدف قرار خواهد داد. “ما مشتاقیم تا در مورد تنوعی که خواهیم یافت بیاموزیم.”

اینگا کمپ، یکی از همکاران MINDS و دانشمند در Kapteyn موسسه نجوم دانشگاه گرونینگن، هلند می‌افزاید: “با اصلاح مدل‌های مورد استفاده برای تفسیر طیف‌ها، ما نتایج را نیز بهبود خواهیم داد. در نهایت، می‌خواهیم از قابلیت‌های کامل JWST و MIRI برای بررسی آن گهواره‌های سیاره‌ای استفاده کنیم.”

یادگیری در مورد شکل‌گیری سیارات در اطراف ستارگان بسیار کم جرم، یعنی ستارگانی با جرمی حدوداً پنج تا ده برابر کمتر از خورشید، بسیار مفید است. سیارات سنگی در اطراف آن ستارگان بیش از حد فراوان هستند و سیارات بالقوه قابل سکونت بسیاری قبلاً شناسایی شده اند. بنابراین، برنامه MINDS وعده می دهد که برخی از سوالات کلیدی در مورد شکل گیری سیارات مشابه زمین و شاید پیدایش حیات را روشن کند.

تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) بزرگترین و قدرتمندترین تلسکوپ است که تاکنون به فضا پرتاب شده است. این یک مشارکت بین المللی بین ناسا، ESA و CSA است.

ابزار مادون قرمز میانی MIRI جیمزوب که توسط کنسرسیومی از مؤسسات تحقیقاتی اروپایی ساخته شده است، یک ابزار علمی چند منظوره برای طول موج های مادون قرمز بین 5 تا 28 میکرون است. یک دوربین تصویربرداری را با یک طیف نگار ترکیب می کند. با حمایت شرکای صنعتی، MPIA مکانیسم های تمام عناصر انتخاب کننده طول موج، مانند فیلتر و چرخ های توری را فراهم کرد و طراحی الکتریکی MIRI را رهبری کرد.

ترجمه: سارا سیدحاتمی

منبع:

JWST reveals the chemistry of disks around young stars where rocky planets by Max Planck Society APRIL 13, 2023

https://phys.org/news/2023-04-jwst-reveals-chemistry-disks-young.html