Tak wyglądają skutki zderzenia planet. Kosmiczne pobojowisko

To nie jest historia dotycząca tylko dalekich układów planetarnych. Taki kosmiczny kataklizm przydarzył się także na naszym podwórku. Młoda Ziemia zderzył się z ciałem wielkości Marsa, a potężna kolizja wyrzuciła w przestrzeń ogromne ilości rozgrzanej materii, z której ostatecznie powstał Księżyc. Teraz Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba znalazł wokół młodych gwiazd ślady podobnych, gwałtownych wydarzeń.

Astronomowie po raz pierwszy dysponują wystarczająco dużą próbką takich niezwykłych układów, aby spróbować odtworzyć, co właściwie dzieje się podczas gigantycznych zderzeń młodych planet. Obserwacje Webba pokazują, że kosmiczne katastrofy mogą pozostawiać po sobie bardzo różne ślady, zależnie od tego, jak duże były zderzające się obiekty i ile energii zostało uwolnione. Badając te układy, naukowcy mogą dowiedzieć się jak powstają i ewoluują planety skaliste.

Wyniki badań zespołu zostały opublikowane w czasopiśmie The Astrophysical Journal.

Układ planetarny nie powstaje od razu w gotowej postaci. Młoda gwiazda jest początkowo otoczona gęstym dyskiem gazu i pyłu. W jego wnętrzu niewielkie ziarna materii zderzają się ze sobą, łączą i stopniowo budują coraz większe obiekty. Z czasem mogą powstać planetezymale, zalążki planet.

To nie oznacza jednak, że po uformowaniu pierwszych planet robi się spokojnie. Wręcz przeciwnie. W młodym układzie planetarnym trwa kosmiczny bilard. Obiekty zmieniają orbity, zderzają się i rozbijają, a niektóre kolizje mogą mieć skalę trudną do wyobrażenia. Tak właśnie mogła wyglądać historia Ziemi.

Około 4,5 mld lat temu młoda Ziemia miała zostać uderzona przez obiekt wielkości Marsa, któremu nadano nazwę Theia. Energia zderzenia była tak ogromna, że część skał została stopiona, a znaczna ilość materii została wyrzucona w przestrzeń kosmiczną. Z tego materiału miał później powstać Księżyc.

Nie możemy oczywiście cofnąć czasu i zobaczyć tej katastrofy. Możemy jednak poszukać podobnych wydarzeń wokół innych, młodych gwiazd.

Astronomowie zainteresowali się tzw. ekstremalnymi dyskami odłamków. Są to układy, w których wokół stosunkowo młodej gwiazdy znajduje się wyjątkowo dużo ciepłego pyłu.

Pył ten,znajdujący się blisko gwiazdy, może być pozostałością po niedawnych zderzeniach dużych skalnych obiektów. W normalnym dysku odłamków materia jest zazwyczaj znacznie chłodniejsza, natomiast tutaj astronomowie widzą coś, co wygląda jak świeży kosmiczny gruz powstały po gwałtownych wydarzeniach.

Takie układy są przy tym niezwykle rzadkie. Na podstawie dotychczasowych obserwacji naukowcy szacują, że charakterystyczne oznaki ekstremalnego dysku odłamków można znaleźć zaledwie u około 1 proc. młodych gwiazd.

To niewiele, ale astronomowie mieli do dyspozycji wystarczająco dużo danych, aby przeprowadzić pierwszą poważniejszą analizę całej populacji. Zespół kierowany przez Kate Su ze Space Science Institute zbadał łącznie 21 ekstremalnych dysków. I właśnie tutaj zaczyna się najciekawsza część.

James Webb obserwuje kosmos przede wszystkim w podczerwieni. To idealny zakres do badania ciepłego pyłu, ponieważ materia ogrzana przez pobliską gwiazdę emituje właśnie takie promieniowanie. Widmo podczerwone działa trochę jak kosmiczny odcisk palca. Poszczególne minerały pochłaniają i emitują promieniowanie w charakterystyczny sposób, dzięki czemu naukowcy mogą określić, z czego zbudowane są mikroskopijne ziarna pyłu znajdujące się w odległym układzie planetarnym.

Okazało się, że badane dyski można podzielić na dwie główne grupy. Jedna jest bogata w krzemionkę, druga zawiera jej znacznie mniej. To pozornie niewielka różnica mineralogiczna okazuje się niezwykle ważna, ponieważ mówi astronomom coś o energii zderzeń, które doprowadziły do powstania pyłu. Z jego składu naukowcy próbują odczytać historię katastrof, które ten kurz wytworzyły.

Około jedna trzecia badanej próbki to dyski bogate w krzemionkę. Według zespołu ich właściwości najlepiej pasują do bardzo energetycznych kolizji między obiektami wielkości Marsa.

Podczas takiego zderzenia nie dochodzi po prostu do mechanicznego rozbicia dwóch skalnych kul. Energia jest tak wielka, że znaczna część skał może zostać stopiona, a nawet odparowana. Następnie materia gwałtownie się ochładza i kondensuje, tworząc ogromną ilość drobnego pyłu oraz innych odłamków.

Co więcej, wszystkie bogate w krzemionkę ekstremalne dyski z analizowanej próbki znajdowały się wokół gwiazd młodszych niż 300 mln lat. To dobrze pasuje do obecnych modeli formowania planet skalistych. Symulacje wskazują bowiem, że planety podobne do Ziemi powinny powstawać w ciągu pierwszych kilkuset milionów lat istnienia układu planetarnego.

Pozostałe około dwie trzecie badanych dysków wyglądało inaczej. Były uboższe w krzemionkę, co wskazuje na zderzenia o mniejszej skali. Astronomowie sugerują, że w tym przypadku mogło dochodzić do kolizji obiektów wielkości Księżyca, a nie Marsa. Nie musiały to być przy tym centralne, niszczycielskie uderzenia. Część mogła przypominać kosmiczne otarcia obiektów przelatujących obok siebie na przecinających się orbitach.

Takie zderzenia również produkują ogromne ilości pyłu, ale mechanizm powstawania materii jest inny niż w przypadku najbardziej energetycznych kolizji.

Co ciekawe, dyski tego typu występują wokół gwiazd w znacznie szerszym przedziale wieku. Ich jasność w podczerwieni potrafi również zmieniać się w czasie znacznie bardziej gwałtownie. Naukowcy podejrzewają, że może mieć to związek z szybką ewolucją świeżo powstałych odłamków. Materia zmienia orbity, ponownie zderza się ze sobą i stopniowo jest rozpraszana. W efekcie ilość pyłu oraz jego temperatura mogą zmieniać się stosunkowo szybko w astronomicznej skali czasu.

Odkrycia te mogą również pomóc naukowcom odtworzyć historię naszego Układu Słonecznego, który mógł przejść przez więcej niż jedną ekstremalną fazę dysku odłamków.

Symulacje komputerowe wskazują, że planety skaliste, w tym Ziemia, powinny powstać w ciągu pierwszych kilkuset milionów lat od rozpoczęcia formowania się układu słonecznego.

Ta oś czasu pokrywa się z wiekiem obserwowanych dotychczas dysków szczątków bogatych w krzemionkę. Jest ona również zgodna z szacunkami, że Ziemia i Księżyc powstały około 100 mln lat po Słońcu, a Księżyc prawdopodobnie powstał w wyniku zderzenia Ziemi z obiektem wielkości Marsa.

Naukowcy są również zainteresowani tym, czy Słońce kiedyś przeszło przez fazę ekstremalnie ubogiego w krzemionkę dysku szczątkowego.

Jeśli starsze dyski ubogie w krzemionkę oraz pozornie losowe okresy zmiany jasności w podczerwieni są spowodowane niestabilnością orbitalną, wzór ten byłby w dużym stopniu zgodny z hipotezą późnego intensywnego bombardowania dla naszego Układu Słonecznego.

W tym scenariuszu planety olbrzymy znacznie przesunęły się względem swoich pierwotnych pozycji. Ich ruch zaburzył orbity mniejszych obiektów, powodując katastrofalne zderzenia i tworząc krótkie okresy wypełnione dużymi ilościami pyłu, podobne do tych obserwowanych obecnie przez astronomów w ekstremalnych dyskach pyłowych.

Najbardziej niezwykłe w tych badaniach jest to, że astronomowie próbują odtworzyć wydarzenia zachodzące wokół gwiazd oddalonych o ogromne odległości, analizując drobiny pyłu.

Nie jesteśmy w stanie zobaczyć pojedynczej planety wielkości Księżyca zderzającej się z inną planetą w odległym układzie. Takie obiekty są zbyt małe i zbyt odległe. Możemy natomiast wykryć podczerwone promieniowanie emitowane przez rozgrzany materiał powstały po kolizji.

James Webb pozwala zrobić to z niezwykłą precyzją. Dzięki analizie widm naukowcy mogą określić nie tylko temperaturę i ilość pyłu, ale również jego skład mineralny.

Główna ilustracja: Badając skład ekstremalnych dysków odłamkowych, naukowcy doszli do wniosku, że dyski bogate w krzemionkę powstają w wyniku zderzeń z obiektami wielkości Marsa o dużej energii, natomiast dyski ubogie w krzemionkę powstają w wyniku mniej energetycznych zdarzeń z obiektami wielkości Księżyca. Grafika: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI)