Venti di cambiamento: Webb rivela dettagli sfuggenti in giovani sistemi stellari

I dischi di formazione planetaria, vortici di gas e polvere che vorticano intorno a giovani stelle, sono vivai che danno origine a sistemi planetari, incluso il nostro sistema solare. Gli astronomi hanno scoperto nuovi dettagli sui flussi di gas che scolpiscono e modellano quei dischi nel tempo. La struttura annidata osservata di questi flussi conferma un meccanismo a lungo teorizzato che permette alla stella di crescere attingendo al materiale del disco.

 

 

Ogni secondo, più di 3.000 stelle nascono nell’universo visibile. Molte sono circondati da quello che gli astronomi chiamano un disco protoplanetario, un vorticoso “pancake” di gas caldo e polvere che alimenta la crescita della stella centrale e fornisce i mattoni per la costruzione di nuovi pianeti. Tuttavia, i processi esatti che danno origine alle stelle e ai sistemi planetari sono ancora poco compresi.

JWST esamina in dettaglio i venti del disco

Un team di astronomi guidato da ricercatori dell’Università dell’Arizona supportati da scienziati del Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) di Heidelberg, in Germania, ha utilizzato il telescopio spaziale James Webb (JWST) per ottenere alcune delle informazioni più dettagliate sulle forze che modellano i dischi protoplanetari. Le osservazioni offrono scorci di come poteva apparire il nostro sistema solare 4,6 miliardi di anni fa.

In particolare, il team è stato in grado di tracciare i cosiddetti venti del disco con un dettaglio senza precedenti.

Questi venti sono flussi di gas che soffiano dal disco di formazione planetaria nello spazio.

Alimentati principalmente da campi magnetici, questi venti possono percorrere decine di chilometri in un solo secondo. I risultati dei ricercatori, pubblicati su Nature Astronomy, aiutano gli astronomi a capire meglio come si formano e si evolvono i giovani sistemi planetari.

Secondo l’autrice principale dell’articolo, Ilaria Pascucci, professoressa presso il Lunar and Planetary Laboratory dell’Università dell’Arizona, uno dei processi più importanti in atto in un disco protoplanetario è la stella che mangia materia dal disco circostante, che gli astronomi chiamano accrescimento.

“Il modo in cui una stella accumula massa ha una grande influenza su come il disco circostante si evolve nel tempo, compreso il modo in cui i pianeti si formano in seguito”, ha detto Pascucci.

“I modi specifici in cui ciò accade non sono stati compresi, ma pensiamo che i venti guidati da campi magnetici attraverso la maggior parte della superficie del disco potrebbero svolgere un ruolo molto importante”.

I venti del disco magnetizzato aiutano la crescita stellare

Le giovani stelle crescono attirando il gas dal disco che vortica intorno a loro, ma perché ciò accada, il gas deve prima perdere parte della sua inerzia. In caso contrario, il gas orbiterebbe costantemente intorno alla stella e non cadrebbe mai su di essa.

Gli astrofisici chiamano questo processo “perdita di momento angolare”, ma il modo in cui ciò avvenga esattamente si è rivelato sfuggente.

Per capire meglio come funziona il momento angolare in un disco protoplanetario, è utile immaginare una pattinatrice sul ghiaccio: infilare le braccia lungo il corpo la farà girare più velocemente, mentre allungarle rallenterà la sua rotazione.

Poiché la sua massa non cambia, il momento angolare rimane lo stesso.

Affinché avvenga l’accrescimento, il gas attraverso il disco deve perdere il momento angolare. Tuttavia, gli astrofisici hanno difficoltà a concordare su come ciò accada esattamente.

Negli ultimi anni, i venti del disco guidati magneticamente sono emersi come attori essenziali che incanalano parte del gas dalla superficie del disco – con esso, il momento angolare – permettendo al gas rimanente di muoversi verso l’interno e infine cadere sulla stella.

Come distinguere tra i meccanismi del vento

Poiché anche altri processi in atto modellano i dischi protoplanetari, è fondamentale essere in grado di distinguere tra i diversi fenomeni, secondo il secondo autore dell’articolo, Tracy Beck dello Space Telescope Science Institute della NASA.

Mentre il campo magnetico della stella spinge fuori il materiale sul bordo interno del disco in quello che gli astronomi chiamano un vento X, le parti esterne del disco vengono erose dall’intensa luce stellare, provocando i cosiddetti venti termici, che soffiano a velocità molto più basse.

L’elevata sensibilità e risoluzione del JWST erano ideali per distinguere tra il vento guidato dal campo magnetico, il vento termico e il vento X.

Una proprietà cruciale che distingue i venti X magneticamente guidati è che si trovano più lontano e si estendono su regioni più ampie, compresi i pianeti rocciosi interni del nostro sistema solare, all’incirca tra la Terra e Marte.

Questi venti si estendono anche più al di sopra del disco rispetto ai venti termici, raggiungendo centinaia di volte la distanza tra la Terra e il Sole.

“Avevamo già trovato indicazioni osservative per un tale vento sulla base di osservazioni interferometriche a lunghezze d’onda radio”, sottolinea l’astronomo dell’MPIA Dmitry Semenov.

È anche coautore dello studio di base. Tuttavia, queste osservazioni non sono state in grado di sondare l’intera morfologia del vento del disco, figuriamoci di riprodurla in dettaglio. In particolare, la struttura annidata delle varie componenti del vento, un segno distintivo di quei venti a disco, era al di là delle capacità delle osservazioni.

Al contrario, le nuove osservazioni del JWST hanno rivelato questa struttura senza alcun dubbio. La morfologia osservata corrisponde alle aspettative per un vento a disco guidato magneticamente.

“Le nostre osservazioni suggeriscono fortemente che abbiamo ottenuto le prime immagini dettagliate dei venti in grado di rimuovere il momento angolare e risolvere l’annoso problema di come si formano le stelle e i sistemi planetari”, ha detto Pascucci.

Per il loro studio, i ricercatori hanno selezionato quattro sistemi di dischi protoplanetari, tutti di taglio se visti dalla Terra. Il loro orientamento ha permesso alla polvere e al gas nel disco di agire come una maschera, bloccando parte della luce della stella centrale luminosa, che altrimenti avrebbe sopraffatto i venti.

NIRSpec di JWST risolve la morfologia del vento nidificato

 

Il team è stato in grado di tracciare vari strati di vento sintonizzando il rivelatore NIRSpec del JWST su atomi e molecole distinti in determinati stati di transizione.

NIRSpec è lo spettrografo nel vicino infrarosso ad alta risoluzione del JWST. Gli astronomi hanno ottenuto informazioni spettrali spazialmente risolte in tutto il campo visivo utilizzando l’Integral Field Unit (IFU) dello spettrografo, essenzialmente una griglia che osserva posizioni distinte nel cielo.

In questo modo, gli scienziati hanno sintetizzato immagini a varie lunghezze d’onda diagnostiche, ognuna delle quali è relativamente grossolana ma comunque abbastanza buona da risolvere la morfologia.

Le osservazioni hanno rivelato un’intricata struttura tridimensionale di un getto centrale annidato all’interno di un involucro di venti a forma di cono che si originano a distanze del disco progressivamente più grandi, simili alla struttura stratificata di una cipolla.

Secondo i ricercatori, una nuova importante scoperta è stata la rilevazione coerente di un foro centrale pronunciato all’interno dei coni, formato da venti molecolari in ciascuno dei quattro dischi.

Successivamente, il team di Pascucci spera di espandere queste osservazioni a più dischi protoplanetari per capire meglio quanto siano comuni le strutture del vento del disco osservate nell’universo e come si evolvono.

“Crediamo che potrebbero essere comuni, ma con quattro oggetti, è un po’ difficile da dire”, ha detto Pascucci. “Vogliamo ottenere un campione più ampio con JWST e poi vedere anche se possiamo rilevare i cambiamenti in questi venti mentre le stelle si assemblano e i pianeti si formano”.

Immagine: © Osservatorio Astronomico Nazionale del Giappone (NAOJ)