Gwiazda w dojrzałym wieku emituje promieniowanie UV? To jasne jak Słońce. Eksperyment w tym zakresie nietrudno jest przeprowadzić - wystarczy nie posmarować się w upał kremem do opalania, albo założyć i zdjąć okulary słoneczne. W ten prosty, choć czasem bolesny sposób na własnej skórze każdy może się przekonać, że nasza gwiazda emituje wysokoenergetyczne promieniowanie ultrafioletowe. Ten prosty eksperyment przy okazji pokazuje, że promieniowanie UV może być katalizatorem zmieniającym dynamikę reakcji chemicznych (ach, ta opalenizna i oparzenia słoneczne).

Na którym jednak etapie rozwoju gwiazdy takie, jak Słońce, rozpoczynają produkcję promieniowania UV? Czy wtedy, gdy zachodzą już tam reakcje termojądrowe? Czy może wcześniej - jeszcze kiedy gwiazda się formuje i skrywa się w ciemnym obłoku kosmicznego pyłu i gazu?

PIĘĆ GWIAZD Z WĘŻOWNIKA NA OKU JAMESA WEBBA

Postanowił to zbadać zespół z USA, Polski i Niemiec pod kierunkiem dr Agaty Karskiej z Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu (UMK) i Iasona Skretasa z Max Planck Institute for Radio Astronomy. Badacze wzięli na warsztat tzw. protogwiazdy, a więc liczące mniej niż pół miliona lat gwiazdy w początkowym etapie ich formowania. Za pomocą ogromnego teleskopu kosmicznego Jamesa Webba naukowcy zajrzeli do obłoków molekularnych, w których formuje się obecnie pięć młodych gwiazd w obszarze gwiazdozbioru Wężownika. I znaleźli tam ślady promieniowania UV. Z ich analiz wynika, że to promieniowanie pochodzi z wnętrza układu. Okazuje się więc, że nawet wokół bardzo młodych gwiazd jest już obecne promieniowanie UV.

Wyniki prac ukazały się w czasopismie “Astronomy & Astrophysics”. 

„Badane przez nas protogwiazdy w przyszłości staną się gwiazdami bardzo podobnymi do naszego Słońca. A jest to najbardziej powszechny typ gwiazd w galaktykach” - tłumaczy w rozmowie z PAP dr Karska.

W jej przekonaniu zrozumienie roli UV w procesie powstawania gwiazd jest niezwykle ważne, bo obecność tego promieniowania zmienia „przepis” na nową gwiazdę. Jeśli wokół młodej gwiazdy występuje UV, to gaz w jej otoczeniu nagrzewa się inaczej, a jego skład chemiczny ulega zmianie. A to przecież z tej materii powstanie protoplanetarny dysk, z którego uformują się planety. Warto więc uwzględniać tę wiedzę o istnieniu UV w symulacjach i modelach formowania się gwiazd i planet.

PROTOGWIAZDA W SOSIE WŁASNYM

Wyobraźmy sobie, co się dzieje w protogwieździe. Aby obiekt urósł do takiej masy, aby rozpoczęła się tam reakcja termojądrowa, musi najpierw ściągnąć na siebie materię z obłoku molekularnego. Kiedy jednak materia opada do centrum układu, jej moment pędu (zgodnie z zasadą zachowania momentu pędu) musi być przekazany dalej. Dlatego pod wpływem rotacji i pola magnetycznego część materii wyrzucana jest z tego obszaru ogromną prędkością w dwóch przeciwnych kierunkach (dwubiegunowe dżety). Te strumienie materii uderzają w otaczający jeszcze gwiazdę gaz, tworząc fale uderzeniowe (szoki). A fale uderzeniowe z kolei rozgrzewają gaz, co sprawia, że zaczyna on emitować promieniowanie.

JAK ZBADAĆ ŚWIATŁO, GDY CIEMNO WSZĘDZIE

Dr Karska wyjaśnia, że aby zmierzyć UV w protogwieździe, nie wystarczy skierować tam teleskop rejestrujący promieniowanie w tym zakresie. Problemem jest to, że miejsca powstawania protogwiazd wydają się być na niebie „dziurami w kosmosie”. Pył kosmiczny w obłokach otaczających protogwiazdy skutecznie osłania przed wzrokiem ciekawskich to, co dzieje się w bliskim otoczeniu protogwiazdy.

Dr Karska porównuje ten pył do dymu papierosowego – to zawiesina cząsteczek krzemianowych lub węglowych w gazie, które blokują promieniowanie o wyższych częstotliwościach - światło widzialne i promieniowanie UV.

Przez te obłoki przedostaje się jednak promieniowanie podczerwone, a więc fale elektromagnetyczne o mniejszej energii.

Dlatego badacze użyli kosmicznego teleskopu Jamesa Webba, a konkretnie instrumentu MIRI, czyli spektroskopu działającego w średniej podczerwieni. Z informacji, jakie to promieniowanie podczerwone niesie, można zaś wyciągnąć informacje o związkach chemicznych, które tam powstają i o tym, jak się rozkładają.

DANE O ULTRAFIOLECIE ZASZYTE W WODORZE

Badacze poszukiwali tam informacji o cząsteczkach wodoru molekularnego (H2). Choć to najprostsza i najbardziej powszechna cząsteczka we Wszechświecie - niezwykle trudno ją obserwować. Aby „zmusić” ją do świecenia, potrzebne są specyficzne warunki: wysoka temperatura i gęstość gazu, których zazwyczaj nie spotyka się w spokojnych obłokach molekularnych. W informacjach o H2 zaszyte są informacje o promieniowaniu UV. A te informacje udało się w badaniach uzyskać.

„Nasze obserwacje i analizy potwierdziły, że promieniowanie UV musi być wytwarzane lokalnie. Może ono powstawać w samej fali uderzeniowej, związanej z wypływem materii lub bezpośrednio przy akrecji materii na obiekt centralny. Jest ono od 10 do 100 razy silniejsze niż średnie promieniowanie UV w ośrodku międzygwiazdowym” - mówi badaczka.

ŁEBSKI WEBB

Dr Karska tłumaczy, że badania były możliwe dzięki teleskopowi Jamesa Webba, który pozwala badać przejścia wodoru w zakresie od 5 do 28 mikrometrów. Poprzedni teleskop o podobnych możliwościach, Spitzera, miał zwierciadło o średnicy 60 centymetrów, a więc 10 razy mniejsze. „Możliwość detekcji linii i rozdzielenia szczegółów jest po prostu niewyobrażalnie większa. James Webb pokazał nam taką ilość linii widmowych, że ich analiza zajmie nam pewnie dziesięciolecia” - opisuje dr Karska. I dodaje, że z linii widmowych można wyczytać informacje o związkach chemicznych obecnych w otoczeniu źródła światła.

Badaczka tłumaczy, że Polska nie była partnerem przy budowie teleskopu Jamesa Webba, więc nie ma tam tzw. czasu gwarantowanego na swoje badania. Polscy naukowcy mogą jednak startować w otwartych konkursach, gdzie oceniana jest jakość projektu naukowego. Przechodzi około jeden na dziewięć - dwanaście wniosków. „Dla mnie to jest wielka rzecz, że znalazłam się w gronie, które uzyskało czas obserwacyjny i to już w pierwszym cyklu obserwacyjnym” - mówi dr Karska.

„Już w trakcie doktoratu postulowałam, że w tych obszarach musi występować promieniowanie UV, ponieważ modele bez niego nie zgadzały się z obserwacjami ilości wody. Teraz, dzięki Jamesowi Webbowi udało się to potwierdzić i scharakteryzować. W pracy naukowca to bardzo miłe uczucie, gdy po latach ciężkiej pracy okazuje się, że miało się rację. A teleskop Jamesa Webba otworzył nam zupełnie nowe okno – pozwala badać procesy fizyczne w skalach porównywalnych z wielkością Układu Słonecznego, które wcześniej były dla nas całkowicie niewidoczne” - podsumowała astronomka.

PAP - Nauka w Polsce, Ludwika Tomala

lt/ zan/