Telescopul Spațial James Webb al NASA oferă astronomilor o perspectivă asupra tipurilor de coliziuni violente care ar fi putut modela propriul nostru sistem solar, inclusiv impactul gigantic despre care se crede că a creat Luna. Prin studiul a 21 de rare „discuri de resturi extreme” din jurul stelelor tinere, cercetătorii au descoperit că praful lor poate dezvălui scara și intensitatea coliziunilor planetare.
Tipul de coliziuni din sistemele stelare tinere, cunoscute sub denumirea de discuri de resturi extreme, este relevant pentru înțelegerea de către oamenii de știință a propriului nostru sistem solar, despre care se crede că a suferit evenimente de impact similare care au creat Luna noastră și au modelat starea inițială a Pământului.
Oamenii de știință consideră că unul dintre cele mai importante evenimente din sistemul solar timpuriu a fost o coliziune colosală între Pământul tânăr și un corp de mărimea lui Marte, cunoscut sub numele de Theia. Impactul a vaporizat probabil cantități uriașe de rocă și a aruncat material în spațiu. O parte din acest rest s-a adunat în cele din urmă pentru a forma Luna, acolo unde programul Artemis al NASA readuce oameni, se pregătește pentru Marte și modelează viitorul explorării spațiale. Acel impact străvechi a alterat dramatic Pământul. Acum, astronomii folosesc Telescopul Spațial James Webb al NASA pentru a investiga sisteme stelare tinere care par să experimenteze evenimente la fel de violente. Prin studiul acestor sisteme, cercetătorii pot estima cât de energetice au fost coliziunile și pot afla mai multe despre modul în care se formează și evoluează planetele stâncoase.
**Webb țintește discuri rare de resturi extreme**
Materialul care înconjoară o stea se schimbă semnificativ în timp. Stelele tinere încep cu un disc protoplanetar juvenil, bogat în gaz, unde se pot afla planete în formare. Pe măsură ce sistemul se maturizează, acel mediu evoluează într-un disc de resturi sărac în gaz. Pe parcursul anilor săi de funcționare, Telescopul Spațial Spitzer, retras de la NASA, a studiat aceste discuri de resturi și a identificat o categorie neobișnuită cunoscută sub denumirea de discuri de resturi extreme. Aceste sisteme conțin cantități excepțional de mari de praf cald, aproape de stelele lor, aproximativ în aceeași regiune unde orbitează planetele stâncoase în propriul nostru sistem solar.
Kate Su de la Institutul de Științe Spațiale din Boulder, Colorado, a condus o echipă de astronomi care a folosit Webb pentru a investiga aceste sisteme neobișnuite în detaliu. Modelele teoretice sugerează că discurile de resturi extreme ar trebui să fie relativ comune, dar observațiile spun o poveste diferită. Pe baza datelor colectate până acum, oamenii de știință estimează că doar aproximativ 1% dintre stelele tinere prezintă semne observabile ale acestei etape. Propriu nostru sistem solar ar fi putut, de asemenea, să treacă printr-o astfel de fază în timp ce se forma. Chiar dacă aceste sisteme sunt neobișnuite, cercetătorii au adunat un eșantion de 21 de discuri de resturi extreme. Cinci provin din observații Spitzer din arhivă, iar 16 au fost studiate cu Webb. Dintre eșantionul Webb, 12 discuri au fost observate recent, în timp ce patru au fost observații de urmărire ale sistemelor examinate anterior de Spitzer.
„Aceasta este prima dată când am adunat suficiente sisteme pentru a înțelege cu adevărat această subclasă pe care o numim discuri de resturi extreme”, a spus Su, autoarea principală a lucrării. „Înainte de Webb, aveam informații limitate. Știam că sunt ciudate și foarte diferite de discurile obișnuite de resturi reci pe care le cunoaștem, precum Vega și Fomalhaut. Acum că avem mai multe date, putem stabili ce reprezintă aceste discuri pentru formarea și evoluția planetelor.”
**Praful dezvăluie natura coliziunilor planetare**
Cercetătorii au confirmat că discurile de resturi extreme au trei caracteristici definitorii. Granulele lor de praf sunt mai mici decât cele găsite în discurile protoplanetare sau în discurile de resturi mai tipice, conțin concentrații neobișnuit de mari de praf cald și strălucirea lor se modifică neregulat în timp. Webb și Spitzer au dezvăluit aceste caracteristici prin spectre în infraroșu mediu. Pentru a înțelege ce ar putea produce aceste trăsături neobișnuite, cercetătorii au examinat mineralele prezente în discuri. Analiza lor a arătat că sistemele pot fi împărțite în două grupuri mari: discuri bogate în siliciu și discuri sărace în siliciu. Pe Pământ, sticla vulcanică precum obsidianul este un exemplu de material bogat în siliciu. Mineralul sărac în siliciu, forsteritul, între timp, poate fi văzut sub formă de granule de nisip verde pe anumite plaje din Hawaii. Dacă un disc este bogat sau sărac în siliciu poate dezvălui informații importante despre coliziunea care a creat resturile sale. Distincția poate, de asemenea, să ajute la explicarea motivului pentru care unele dintre discuri fluctuează mai dramatic în strălucirea infraroșie.
„Să le văd emisia în infraroșu mediu și caracteristicile spectrale frumoase cu Webb, ceea ce ne-a permis să le identificăm compozițiile, a fost cel mai interesant lucru pentru mine”, a spus Agnes Kospal de la Observatorul Konkoly din Budapesta, Ungaria, și coautor al studiului. „Nu avem altă modalitate de a studia direct acești «embrioane planetare» deoarece sunt prea mici.”
**Lumi de mărimea lui Marte s-ar putea ciocni**
Aproximativ o treime din discurile din eșantion sunt bogate în siliciu. Cercetătorii spun că aceste sisteme s-au format probabil după coliziuni extrem de energetice între corpuri de mărimea lui Marte. Astfel de impacturi ar fi suficient de puternice pentru a vaporiza o cantitate substanțială de material rocos. Celelalte două treimi sunt sărace în siliciu. Aceste sisteme par să rezulte din coliziuni cu energie mai mică, inclusiv impacturi „de atingere” între obiecte de mărimea Lunii. Cercetătorii au găsit, de asemenea, o diferență importantă de vârstă între cele două grupuri. Discurile bogate în siliciu au fost identificate doar în jurul stelelor mai tinere de 300 de milioane de ani. Discurile sărace în siliciu, totuși, apar în jurul stelelor cu o gamă mult mai largă de vârste și tind să prezinte schimbări mai puternice ale strălucirii. Echipa sugerează că această variabilitate ar putea proveni din evoluția rapidă a resturilor nou create. Schimbările în orbita materialului, împreună cu coliziuni suplimentare, ar putea face ca strălucirea infraroșie să crească și să scadă în timp.
Descoperirile ar putea, de asemenea, să ajute oamenii de știință să reconstruiască istoria propriului nostru sistem solar, care ar fi putut trece prin mai mult de o fază de disc de resturi extreme. „Cum s-au format planetele stâncoase și cum au evoluat planetele gigantice fac parte din povestea mai largă a formării sistemului solar. Este o singură poveste”, a spus Su. „Lucrarea noastră despre discurile de resturi extreme ne ajută să aducem laolaltă imaginea de ansamblu a ceea ce înțelegem în prezent.”
**Indicii despre coliziunea care a format Luna**
Simulările pe computer sugerează că planetele terestre, inclusiv Pământul, ar trebui să apară în primele câteva sute de milioane de ani după ce un sistem solar începe să se formeze. Acest calendar se potrivește cu vârstele discurilor de resturi extreme bogate în siliciu observate până acum. Este, de asemenea, consistent cu estimările că Pământul și Luna s-au format aproximativ 100 de milioane de ani după Soare, Luna fiind probabil rezultatul unei coliziuni între Pământ și un obiect de mărimea lui Marte.
Oamenii de știință sunt, de asemenea, interesați dacă Soarele ar fi putut trece odată printr-o fază de disc de resturi extreme sărac în siliciu. Dacă discurile mai vechi, sărace în siliciu și perioadele lor aparent aleatorii de strălucire infraroșie schimbătoare sunt cauzate de instabilitatea orbitală, modelul ar fi compatibil în mare măsură cu ipoteza „Bombardamentului Târziu Greu” pentru sistemul nostru solar. În acel scenariu, planetele gigantice s-ar fi deplasat semnificativ față de pozițiile lor inițiale. Mișcarea lor a perturbat orbitele obiectelor mai mici, declanșând coliziuni catastrofale și producând perioade scurte pline de cantități mari de praf, similar cu ceea ce observă acum astronomii în discurile de resturi extreme.
„Desigur, sunt multe lucruri pe care încă nu le știm despre aceste discuri”, a spus Attila Moor de la Observatorul Konkoly, un coautor al studiului. „Ne așteptăm să nu găsim sisteme bogate în siliciu printre discurile de resturi extreme mai vechi. Avem doar trei discuri în eșantionul nostru care se potrivesc cu acest criteriu de vârstă, așa că ar fi frumos să observăm mai multe dintre aceste sisteme pentru a ne confirma ipoteza.”