Teleskop Kosmiczny James Webb, owoc współpracy NASA, Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA) i Kanadyjskiej Agencji Kosmicznej (CSA), ponownie skierował swoje potężne spojrzenie w głąb kosmosu i podarował nam zapierający dech w piersiach widok. Najnowsze zdjęcie miesiąca przedstawia IRAS 04302+2247, niezwykły dysk protoplanetarny położony w gwiezdnym żłobku, w regionie Byka, w odległości około 525 lat świetlnych od Ziemi. Ten obiekt niebieski, spowity ciemną chmurą molekularnego gazu i pyłu, stanowi kluczowe okno do zrozumienia procesu formowania się planet, w tym tego, który około 4,5 miliarda lat temu doprowadził do powstania naszego własnego Układu Słonecznego.

Spojrzenie w Kosmiczną Kołyskę

W całej naszej galaktyce, w ogromnych i zimnych obłokach gazu, rodzą się nowe gwiazdy. Te gwiezdne embriony, znane jako protogwiazdy, w swoich wczesnych fazach rozwoju otoczone są gęstymi dyskami materii. Właśnie te dyski, zbudowane z gazu i drobnych ziaren pyłu, stanowią budulec dla przyszłych planet. Obserwując obiekty takie jak IRAS 04302+2247, astronomowie mogą zrekonstruować warunki, które panowały u zarania naszego Układu Słonecznego, kiedy formowała się Ziemia i pozostałe planety.

IRAS 04302+2247, w skrócie IRAS 04302, jest doskonałym przykładem protogwiazdy, która wciąż aktywnie gromadzi masę ze swojego otoczenia. Wyjątkowa czułość Webba umożliwiła zmierzenie tego dysku, którego średnica rozciąga się na niewiarygodne 65 miliardów kilometrów, co jest wielokrotnie większe od średnicy naszego Układu Słonecznego. To, co czyni to zdjęcie szczególnie znaczącym, to unikalna perspektywa. Z naszego punktu widzenia dysk jest zorientowany bocznie, czyli „na krawędzi”, więc widzimy go jako cienką, ciemną linię przecinającą obraz. Ta ciemna linia pyłu i gazu zasłania bezpośrednie światło centralnej protogwiazdy, umożliwiając w ten sposób teleskopowi zarejestrowanie subtelniejszych struktur w jej otoczeniu.

Dysk na Dłoni: Wyjątkowa Perspektywa

Kiedy dyski protoplanetarne są obserwowane „z góry”, czyli od czoła, często ujawniają złożone struktury, takie jak pierścienie, przerwy i ramiona spiralne. Te formacje mogą być pierwszymi dowodami na istnienie młodych planet, które swoim grawitacyjnym wpływem oczyszczają ścieżkę wewnątrz dysku, zbierając materię na swojej drodze. Alternatywnie, takie struktury mogą również powstawać w wyniku innych zjawisk, takich jak niestabilności grawitacyjne wewnątrz samego dysku lub obszary, w których ziarna pyłu gromadzą się z powodu różnic w ciśnieniu gazu.

Jednak boczny widok na IRAS 04302 oferuje zupełnie inny, ale równie ważny wgląd. Ujawnia on pionową strukturę dysku, czyli jego grubość. W teoretycznych modelach formowania planet kluczowym krokiem jest migracja ziaren pyłu w kierunku płaszczyzny centralnej dysku. Tam osiadają, tworząc cienką i bardzo gęstą warstwę materii. W tej gęstej warstwie warunki są idealne do dalszego zlepiania się i wzrostu, co ostatecznie prowadzi do formowania się jąder planetarnych. Grubość dysku, którą Webb może precyzyjnie zmierzyć, jest wskaźnikiem wydajności tego procesu osiadania i kluczowym parametrem do testowania teorii narodzin planet.

Gwiezdny Motyl i Gra Światła i Cienia

Gęsta smuga pylistego gazu, która rozciąga się pionowo na obrazie, działa jak naturalny koronograf, blokując oślepiające światło protogwiazdy IRAS 04302. Dzięki tej zasłonie Webb może uchwycić delikatne i słabe struktury, które ją otaczają. W rezultacie po obu stronach ciemnego dysku widoczne są dwie eteryczne, zwiewne mgławice. Są to mgławice refleksyjne – obłoki gazu i pyłu, które nie emitują własnego światła, lecz odbijają światło ukrytej gwiazdy centralnej. Ze względu na symetryczny wygląd tych dwóch mgławic, które przypominają skrzydła, IRAS 04302 otrzymał trafny przydomek „Gwiazda Motyl” (Butterfly Star).

Te mgławice dostarczają dodatkowych informacji o otoczeniu młodej gwiazdy. Analizując widmo odbitego światła, naukowcy mogą dowiedzieć się więcej o składzie i wielkości ziaren pyłu w obłokach otaczających dysk. Kolor mgławicy refleksyjnej często skłania się ku niebieskiej części widma, ponieważ mniejsze ziarna pyłu skuteczniej rozpraszają niebieskie światło o krótszej długości fali, podobnie jak cząsteczki w atmosferze Ziemi sprawiają, że niebo jest niebieskie.

Moc Wszechświata w Podczerwieni: Webb i Hubble we Współpracy

To fascynujące zdjęcie nie jest wynikiem pracy tylko jednego teleskopu. Jest to portret wielofalowy, stworzony przez połączenie danych zebranych przez Kamerę Bliskiej Podczerwieni Webba (NIRCam), jego Instrument Średniej Podczerwieni (MIRI) oraz danych optycznych z legendarnego Kosmicznego Teleskopu Hubble'a. Każdy z tych instrumentów dostarcza unikalny element układanki.

Zdolność Webba do obserwacji w spektrum podczerwonym jest kluczowa do badania tego typu obiektów. Promieniowanie podczerwone może przenikać przez gęste obłoki pyłu, które są nieprzezroczyste dla światła widzialnego, pozwalając astronomom zobaczyć, co dzieje się wewnątrz samego dysku i w jego bezpośrednim sąsiedztwie. NIRCam ujawnia rozkład drobnych ziaren pyłu i odbitego światła, które rozciąga się daleko od dysku, podczas gdy MIRI wykrywa promieniowanie cieplne emitowane przez same ziarna, dostarczając informacji o ich temperaturze i składzie. Z drugiej strony, Hubble, który obserwuje głównie w świetle widzialnym i ultrafioletowym, skupia się na detalach w samej smudze pyłu oraz na grudkach i włóknach w otaczającej mgławicy, co sugeruje, że gwiazda wciąż aktywnie gromadzi materię ze swojego otoczenia i wyrzuca potężne dżety i wypływy materii, co jest typowe dla najwcześniejszych etapów życia gwiazdowego.

Od Ziarna Pyłu do Planety: Kluczowe Procesy Formacji

Obserwacje IRAS 04302 zostały przeprowadzone w ramach programu naukowego (Webb GO #2562), kierowanego przez zespół międzynarodowych badaczy. Celem tego programu jest zbadanie czterech dysków protoplanetarnych, które, podobnie jak IRAS 04302, są zorientowane do nas krawędzią. Porównując te systemy, naukowcy mają nadzieję zrozumieć, jak pył ewoluuje wewnątrz dysków, co jest fundamentalnym krokiem w kierunku formowania się planet. Wzrost ziaren pyłu jest uważany za krytyczną fazę. Początkowo ziarna te są mikroskopijne, mniejsze od cząsteczek dymu. Jednak poprzez procesy zderzeń i zlepiania się (koagulacji), stopniowo rosną, tworząc większe agregaty wielkości kamyków i skał. Te większe obiekty, znane jako planetezymale, kontynuują zderzanie się i łączenie ze sobą, aż osiągną rozmiar wystarczający, by ich grawitacja zaczęła dominować, przyciągając otaczający gaz i pył i tworząc pełnoprawne planety. Badanie pionowej struktury dysków takich jak ten pomaga w zrozumieniu fizyki rządzącej tym złożonym i kluczowym procesem, dając nam bezpośredni wgląd w warunki, które kiedyś stworzyły również nasz własny planetarny dom.