Ogni secondo nell’Universo, oltre 3.000 nuove stelle si formano mentre nubi di polvere e gas subiscono un collasso gravitazionale. Successivamente, la polvere e il gas rimanenti si stabilizzano in un disco vorticoso che alimenta la crescita della stella e, alla fine, si accresce per formare pianeti — comunemente noto come disco protoplanetario. Sebbene questo modello, conosciuto come l’Ipotesi Nebulare, sia la teoria più ampiamente accettata, i processi esatti che danno origine a stelle e sistemi planetari non sono ancora completamente compresi. Illuminare questi processi è uno degli obiettivi del Telescopio Spaziale James Webb (JWST).
In un studio recente, un team internazionale di astronomi guidato dai ricercatori dell’Università dell’Arizona e supportato da scienziati del Max Planck Institute di Astronomia (MPIA) ha utilizzato le avanzate ottiche infrarosse del JWST per esaminare dischi protoplanetari attorno a nuove stelle. Queste osservazioni hanno fornito le informazioni più dettagliate sui flussi di gas che scolpiscono e modellano i dischi protoplanetari nel tempo. Hanno anche confermato ciò che gli scienziati teorizzavano da tempo e offerto indizi su come appariva il nostro Sistema Solare circa 4,6 miliardi di anni fa.
La ricerca è stata guidata da Ilaria Pascucci, professoressa di astrofisica e scienze planetarie del Lunar and Planetary Laboratory (LPL) presso l’Università dell’Arizona. È stata affiancata da ricercatori dell’Space Telescope Science Institute (STScI), dell’Observatoire de Paris, del National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory (NOIRLab), del Carl Sagan Center presso il SETI Institute, del Max-Planck-Institute for Astronomy e di diverse università. L’articolo che descrive i loro risultati è recentemente apparso su Nature Astronomy.
Impressione artistica di una giovane stella circondata da un disco protoplanetario composto da gas e polvere. Credito: LMU/Thomas Zankl, crushed eyes media
Affinché le giovani stelle crescano, devono attrarre gas dal disco protoplanetario che le circonda. Perché ciò avvenga, il gas deve perdere momento angolare (inertia); altrimenti, orbiterebbe costantemente attorno alla stella e non si accrescerebbe su di essa. Tuttavia, il meccanismo che permette questo è rimasto oggetto di dibattito tra gli astronomi. Negli ultimi anni, i venti del disco guidati da magnetismo sono emersi come un possibile meccanismo. Principalmente alimentati da campi magnetici, questi “venti” canalizzano flussi di gas lontano dal disco di formazione planetaria nello spazio a decine di chilometri al secondo.
Ciò provoca la perdita di momento angolare, consentendo al gas residuo di cadere verso la stella. Per il loro studio, i ricercatori hanno selezionato quattro sistemi di dischi protoplanetari che appaiono di profilo quando osservati dalla Terra. Utilizzando il Near Infrared Spectrograph (NIRSpec) del Webb, il team è stato in grado di tracciare vari strati di vento sintonizzando lo strumento per rilevare atomi e molecole distinti in determinati stati di transizione. Il team ha anche ottenuto informazioni spettrali risolte spazialmente su tutto il campo visivo utilizzando l’Integral Field Unit (IFU) dello spettrografo.
Questo ha permesso al team di tracciare i venti del disco in dettagli senza precedenti e ha rivelato una complessa struttura a strati tridimensionale: un getto centrale annidato all’interno di un involucro a forma di cono di venti a distanze crescenti. Il team ha inoltre notato un pronunciate buco centrale all’interno dei coni in tutti e quattro i dischi protoplanetari. Secondo Pascucci, uno dei processi più importanti in azione è come la stella accresce materia dal disco circostante:
“Come una stella accresce massa ha una grande influenza su come il disco circostante evolve nel tempo, incluso il modo in cui i pianeti si formano successivamente. Le modalità specifiche in cui ciò avviene non sono state comprese, ma riteniamo che i venti guidati da campi magnetici su gran parte della superficie del disco possano giocare un ruolo molto importante.”
Tuttavia, anche altri processi contribuiscono a modellare i dischi protoplanetari. Questi includono il “X-wind”, dove il campo magnetico della stella spinge il materiale verso l’esterno all’orlo interno del disco. Esistono anche “venti termici”, che soffiano a velocità molto più basse e sono causati dalla luce intensa delle stelle che erode il suo bordo esterno. L’alta sensibilità e risoluzione del JWST erano ideali per distinguere tra il vento guidato dal campo magnetico, il X-wind e il vento termico. Queste osservazioni hanno rivelato una struttura annidata delle varie componenti del vento che non era mai stata vista prima.
Struttura del getto di gas osservato e vento della protostella HH 30, con offset dati in unità astronomiche (ua), la distanza media tra Sole e Terra. Credito e ©: I. Pascucci et al./MPIA
Una distinzione cruciale tra i venti guidati magneticamente e gli X-wind è come si trovino più lontano e coprano aree più ampie. Questi venti coprono regioni che corrispondono ai pianeti rocciosi interni del nostro sistema solare, approssimativamente tra la Terra e Marte. Si estendono anche più in alto rispetto al disco rispetto ai venti termici, raggiungendo centinaia di volte la distanza tra la Terra e il Sole. Sebbene gli astronomi avessero precedentemente trovato prove osservative di questi venti basandosi su osservazioni interferometriche a lunghezze d’onda radio, non erano riusciti a immagini il disco completo in dettaglio per determinare la morfologia dei venti.
Al contrario, le nuove osservazioni del JWST hanno rivelato una struttura annidata e morfologia che corrispondeva a ciò che gli astronomi si aspettavano per il vento del disco guidato magneticamente. Guardando al futuro, Pascucci e il suo team sperano di espandere queste osservazioni a più dischi protoplanetari per vedere quanto siano comuni le strutture osservative dei venti del disco e come evolvano.
“Le nostre osservazioni suggeriscono fortemente che abbiamo ottenuto le prime immagini dettagliate dei venti che possono rimuovere momento angolare e risolvere il problema di lunga data di come si formano stelle e sistemi planetari,” ha detto. “Crediamo possano essere comuni, ma con quattro oggetti, è un po’ difficile dirlo. Vogliamo ottenere un campione più ampio con il JWST e poi vedere se possiamo rilevare cambiamenti in questi venti mentre le stelle si assemblano e i pianeti si formano.”
Ulteriori letture: MPIA, Nature Astronomy