Riassunto:
Le osservazioni di dozzine di giovani stelle simili al Sole effettuate dal James Webb Space Telescope (JWST) della NASA mostrano che le forze che stanno sottraendo gas ai dischi di formazione dei pianeti cambiano man mano che i sistemi stellari maturano.
Il gas utilizzato per creare pianeti attorno a giovani stelle continua a scomparire. Nuove osservazioni dal telescopio Webb mostrano che questa perdita di gas non avviene allo stesso modo in tutte le fasi dell’evoluzione iniziale di un sistema planetario. Invece, i venti stellari responsabili del trasporto di materiale lontano dal sistema sembrano cambiare con l’invecchiamento del sistema.
Questo studio, condotto da Naman Bajaj dell'Università dell'Arizona e a cui ha partecipato Uma Goldi, scienziata del SETI Institute, ha analizzato i dischi protoplanetari attorno a 72 giovani stelle simili al sole. Questo è uno dei più grandi studi condotti dal telescopio Webb sulla formazione dei pianeti fino ad oggi. Lo studio ha scoperto che nei diversi stadi dell’evoluzione del disco protoplanetario predomineranno diversi meccanismi di rimozione del gas. Risultati rilevanti sono stati pubblicati sull’Astronomical Journal.
È interessante notare, ha detto Goldi, che i ricercatori sono ora in grado di osservare, utilizzando grandi campioni di stelle giovani, come cambiano nel tempo i meccanismi che eliminano il gas dai dischi di formazione dei pianeti. La dissipazione del disco protoplanetario stabilisce un orologio fondamentale per la formazione dei pianeti: una volta esaurito il gas, la possibilità di formare un pianeta gigante ricco di gas è sostanzialmente esaurita.
Il sistema solare odierno ha circa 4,5 miliardi di anni e la maggior parte è vuota. Tuttavia, nei primi milioni di anni dopo la nascita del Sole, il giovane Sole era circondato da un denso disco protoplanetario, in cui la massa di gas era circa 100 volte quella della polvere. Alla fine, la maggior parte di questo gas scompare.
La velocità di scomparsa del gas è fondamentale perché il gas nel disco protoplanetario è la materia prima per la formazione di pianeti giganti come Giove e Saturno. Se il gas si dissipasse prematuramente, i pianeti potrebbero non avere il tempo di creare atmosfere considerevoli.
Bajai e colleghi hanno utilizzato le osservazioni archiviate dello strumento MIRI (Mid-Infrared Instrument) del telescopio Webb per ricostruire l'evoluzione del disco protoplanetario. Questi 72 sistemi stellari si trovano in diversi stadi di sviluppo dei giovani sistemi planetari. I ricercatori li hanno combinati in una sequenza evolutiva per monitorare come i meccanismi che eliminano il gas dai dischi protoplanetari cambiano con l’età.
Lo studio verifica anche le previsioni teoriche fatte prima che il telescopio Webb fosse in grado di osservare direttamente la materia in questione. Nel 2020, la professoressa del Lunar and Planetary Laboratory Ilariya Pascucci è stata la seconda autrice dell'articolo ed è stata mentore di Bajaj. Una volta guidò il team per studiare l'evoluzione dei getti e dei venti stellari. A quel tempo, i ricercatori non potevano osservare direttamente l’idrogeno molecolare perché il telescopio Webb non era ancora stato messo in funzione, ma prevedevano che potessero esserci venti molecolari abbastanza massicci nei sistemi stellari giovani da bloccare i fotoni dei raggi X. Questa volta il telescopio Webb ha confermato questa previsione monitorando direttamente l’idrogeno molecolare.
I ricercatori si sono concentrati sui segnali di due gas che fuoriescono dal disco protoplanetario: idrogeno molecolare e neon ionizzato. L’idrogeno molecolare è la molecola più abbondante nei dischi protoplanetari. L'eccellente sensibilità e la risoluzione spaziale del telescopio Webb hanno permesso ai ricercatori di distinguere un'ampia gamma di venti di idrogeno molecolare dai getti tracciati al neon e dai venti stellari.
Nei sistemi stellari più giovani, il materiale continua a cadere verso la stella centrale. Il telescopio Webb ha scoperto che questi sistemi hanno getti potenti e ampi deflussi che contengono sia gas molecolari che atomici. Le loro caratteristiche sono coerenti con i venti stellari guidati da campi magnetici che penetrano nel disco protoplanetario. Il gas può muoversi verso l’esterno lungo le linee del campo magnetico, sottraendo massa e momento angolare nel processo.
Man mano che il sistema stellare matura, meno materiale cade verso la stella centrale, il getto inizia a indebolirsi e la proporzione di gas atomico nel deflusso diventa sempre più alta. Con meno materiale che blocca la radiazione ad alta energia, la radiazione ad alta energia emessa dalle giovani stelle è in grado di penetrare più in profondità nel disco protoplanetario e riscaldare il gas abbastanza da poter fuoriuscire. Questo processo è chiamato fotoevaporazione.
Goldy ha trascorso decenni a studiare l'evoluzione dei dischi protoplanetari e i relativi processi di perdita di gas, compreso il ruolo delle radiazioni ultraviolette e dei raggi X nella generazione di venti fotoevaporativi. Il telescopio Webb ha ora collegato questo studio teorico a misurazioni pratiche attraverso l’osservazione di dozzine di giovani sistemi stellari. Le osservazioni mostrano che con l’invecchiamento dei dischi protoplanetari, l’importanza della fotoevaporazione aumenta, mentre i getti guidati dal campo magnetico e i venti stellari si indeboliscono gradualmente.
Le osservazioni mostrano che la dissipazione dei dischi protoplanetari non è controllata da un unico meccanismo. I giovani sistemi planetari sembrano subire una transizione dall’essere dominati da potenti getti guidati dal campo magnetico e venti stellari nelle fasi iniziali a diventare gradualmente dominati da deflussi di gas atomico, compresi i venti fotoevaporativi.
I cambiamenti in questo meccanismo dominante determinano per quanto tempo un pianeta può ottenere i gas di cui ha bisogno per formarsi.
La formazione dei pianeti è in realtà una corsa contro il tempo, ha detto Bajaj. Un gigante gassoso come Giove deve sviluppare un'atmosfera massiccia mentre il suo disco protoplanetario è ancora abbastanza grande da fornire una fornitura continua di gas; altrimenti, venti e getti stellari trasporterebbero queste materie prime nello spazio.
Dei 72 dischi protoplanetari, 66 mostrano un'ampia gamma di emissioni di idrogeno molecolare e neon ionizzato. I ricercatori hanno rilevato venti conici di idrogeno molecolare in 46 sistemi e getti di neon ad alta velocità in 40 sistemi. Tutti i dischi protoplanetari con getti di neon mostrano anche prove di venti stellari tracciati da idrogeno molecolare o ossigeno.
Questa nuova analisi si basa sulle precedenti osservazioni del team con il telescopio Webb. Nel 2024, Bajaj, Goldi e colleghi hanno catturato un’immagine che mostra che il disco di formazione planetaria attorno alla giovane stella T Cha sta perdendo gas.
Ricerche precedenti hanno dimostrato che il telescopio Webb può osservare direttamente il processo di dissipazione dei dischi protoplanetari in un singolo sistema planetario. Lo studio estende questo approccio a dozzine di giovani stelle, rivelando come l’importanza relativa dei getti, dei venti molecolari e dei venti atomici cambia man mano che i sistemi stellari maturano.
I ricercatori sperano poi di determinare la quantità di gas che questi venti stellari trasportano via in tempi diversi e quali regioni del disco protoplanetario forniscono una fonte di materiale per il gas in uscita. Si prevede che queste misurazioni non solo riveleranno quanto velocemente si chiude la finestra di formazione dei pianeti, ma potrebbero anche aiutare gli scienziati a determinare esattamente dove nel disco protoplanetario si sarebbero potuti formare diversi tipi di pianeti prima che il gas disponibile scomparisse.
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