Istraživački proboj svemirskog teleskopa James Webb otvara novo poglavlje u razumijevanju kako nastaju mjeseci oko mladih, masivnih planeta – i pritom nas vraća u vrijeme kada se rađao naš Sunčev sustav.

U središtu pozornosti je mladi sustav CT Chamaeleontis u zviježđu Kameleon, udaljen približno 625 svjetlosnih godina od Zemlje. Unutar tog sustava nalazi se CT Cha b, planetu sličan objekt na širokoj orbiti koji je okružen gustim disk-om plina i prašine – vrpcom materijala kakva se, prema vodećim teorijama, kondenzira u mjeseče dok planet još nastaje. Najnovja opažanja Webba u MIRI/MRS modu prvi put pružaju izravno mjerljive kemijske i fizikalne značajke tog circumplanetarnog diska, odvajajući svjetlo planeta od blještavila mlade zvijezde.

Zašto je ovaj disk poseban

Za razliku od protoplanetarnih diskova koji okružuju zvijezde i iz kojih nastaju planeti, circumplanetarni diskovi su lokalni rezervoari materijala u gravitacijskom području mladog plinaša. Upravo takvo okruženje bilo je kolijevka Galilejevih satelita Jupitera – Io, Europa, Ganimed i Kalisto – koji su prije više od četiri milijarde godina izrasli iz plinovito-prašnjavog prstena oko mladog Jupitera. Promatrati današnji primjer takvog „gradilišta mjeseca” znači dobiti prozor u ranu povijest Sunčeva sustava.

Webbova analiza pokazuje da je disk oko CT Cha b iznimno bogat ugljikovim molekulama. U srednjem infracrvenom području prepoznati su spektralni „otis­ci” acetilena (C₂H₂), benzena (C₆H₆) i još nekoliko ugljikovih spojeva, dok su istodobno u većem, zvjezdanom disku oko mlade zvijezde zabilježene linije vode bez jasnih naznaka slične ugljikove kemije. Taj kontrast sugerira vrlo brzu i lokalno različitu kemijsku evoluciju već unutar prvih ~2 milijuna godina života sustava.

Geometrija sustava i razdvajanje svjetla

Mlada zvijezda CT Cha stara je tek oko 2 milijuna godina i još uvijek usisava tvar iz vlastitog, opsežnog diska. No, CT Cha b kruži izvan tog užurbanog gradilišta – na procijenjenoj prostornoj udaljenosti od približno 74 milijarde kilometara (što odgovara otprilike ~495 astronomskih jedinica). Na toj skali planetarni pratilac i njegov disk čine odvojen kemijski laboratorij. Činjenica da je Webb uspio izdvojiti suptilan signal diska od intenzivne pozadinske svjetlosti mlade zvijezde naglašava snagu kombinacije visoke kutne razlučivosti i spektroskopije srednje rezolucije.

Da bi se iz dvoznačnog blještavila izdvojilo svjetlo CT Cha b, istraživači su koristili metode visokog kontrasta i pažljivu dekompoziciju točkastog raspršenja (PSF-subtrakciju). Tako je rekonstruiran čisti infracrveni spektar iz kojeg se čitaju kemijski potpisi diska.

Što nam otkriva kemija: gradivni elementi budućih mjeseca

Prisutnost acetilena i benzena nije tek egzotična fusnota: riječ je o prethodnicima složenijih organskih molekula. U okruženjima gdje su prisutni ultraljubičasto zračenje, toplinski gradijenti i sudari prašinskih zrnaca, takvi ugljikovodici mogu sudjelovati u polimerizaciji i stvaranju PAH-ova (policikličkih aromatskih ugljikovodika), ali i potaknuti karbonatizaciju i pregradnju leda na površinama zrnaca. Sve to mijenja ljepljivost i aerodinamiku čestica, ubrzava rastuće sudare i pomaže nastanku većih tijela – od milimetarskih zrna do kilometarskih mjesecolika.

Suprotno tome, vodom bogat spektar materijala u zvjezdanom disku ukazuje na drugačiju termokemijsku zonu i izvor dopreme plina. To implicira da mjeseci oko CT Cha b, ako se doista formiraju, mogu razviti drugačiji omjer leda i stijena nego što bismo očekivali samo iz uvjeta u većem, zvjezdanom disku. Dva najudaljenija Galilejeva satelita, Ganimed i Kalisto, danas sadrže i do 50% vode u obliku leda – primjer kako kemija diska definira unutarnje slojeve i dugorošu evoluciju mjeseca.

MIRI/MRS: kako Webb „čuje” molekule

Instrument MIRI (Mid-Infrared Instrument) na Webbovu teleskopu obuhvaća raspon valnih duljina gdje vibracijsko-rotacijske pobude molekula ostavljaju prepoznatljive „crte”. U Medium Resolution Spectrograph modu MIRI nudi ravnotežu između spektralne oštrine i osjetljivosti, čime se omogućuje detekcija slabih linija čak i kada se nalaze uz daleko jače izvore. Za CT Cha b to je značilo da su karakteristične apsorpcijske/emisijske signaturn ugljikovodika izdvojene iz pozadinskog svjetla zvijezde, nakon čega je uslijedila usporedba sa spektralnim bibliotekama i računalnim modelima koji opisuju plinovite diskove i protoplanetarne atmosfere.

Takva „kemijska tomografija” ne govori samo što je prisutno, nego i gdje se određene molekule nalaze unutar diska. Primjerice, topliji unutarnji pojasevi pogodniji su za acetilen i benzen, dok se vodena para i CO₂ lakše zadržavaju u nešto hladnijim zonama ili na površinama čestica u obliku leda. Ta je unutarnja raspodjela izravno povezana s temperaturnim profilom, brzinama akrecije i turbolentnim miješanjem u disku.

Brza evolucija u ranoj dobi sustava

Starost sustava od oko 2 milijuna godina naglašava koliko se kemija mijenja u kratkim kozmičkim intervalima. U tom razdoblju prašina se zgrudava, nastaju planetezimali, a disk polako gubi plin zbog fotoisparavanja i akrecije na središnji objekt. Činjenica da u isto vrijeme zvjezdani disk pokazuje naglašene tragove vode, dok je disk oko planeta ugljikovodicima dominantan, upućuje na različite izvore dopreme tvari i različite UV-okoline koje „kuhaju” kemiju na suprotne načine.

Što nam govori udaljenost i razmještaj

CT Cha b i njegova zvijezda razdvojeni su za oko 74 000 000 000 km – brojka koja pretvorena u astronomske jedinice iznosi približno 495 AU. Za usporedbu, Pluton u prosjeku kruži oko Sunca na oko 39 AU. Takva velika separacija pojednostavljuje promatranje, ali i postavlja pitanja o nastanku: je li CT Cha b nastao kao planet na širokoj orbiti unutar zvjezdanog diska, ili bliže smeđem patuljku odnosno „neuspjelom zvjezdanom” scenariju? Odgovor leži upravo u kemijskom sastavu i kinematici diska koji ga okružuje.

Implikacije za nastanjivost mjeseca

Ako se oko CT Cha b doista formiraju mjeseci, njihov početni kemijski inventar bit će obojen bogatstvom ugljika. To može značiti obilje organskih prekursora koji, kad dospiju na površine u obliku leda ili u podzemne oceane, mogu služiti kao energetska i kemijska valuta za prebiotičke procese. U Sunčevom sustavu misije prema Euro­pi i Enceladu motivirane su upravo traženjem kemijskih gradivnih elemenata života u mjesecima koji su nastali.