Aktualności

Kosmiczny “Przypadek” rzuca nowe światło na zagadki Jowisza i Saturna

Nietypowy obiekt pomaga astrofizykom lepiej zrozumieć procesy chemiczne ukryte w niedostępnych, głębokich warstwach atmosfer Jowisza i Saturna oraz w podobnych do nich planetach pozasłonecznych.

Dlaczego krzem, jeden z najpowszechniej występujących we Wszechświecie pierwiastków, pozostał niewykryty w atmosferach Jowisza, Saturna, czy w podobnych im gazowych planetach wokół innych gwiazd? Nowe badania wykorzystujące możliwości Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webb’a rzucają nowe światło na to pytanie. Obserwacje koncentrują się na pewnym szczególnym obiekcie, WISE 1534-1043, który w 2020 roku został odkryty niejako przez przypadek, zyskując tym samym taki właśnie przydomek - The Accident (ang. Przypadek).

Ten Przypadek jest tzw. brązowym karłem, obiektem pośrednim między masywnymi planetami a najmniejszymi gwiazdami. Nawet pośród swoich trudnych do sklasyfikowania odpowiedników, wykazuje nietypową mieszankę fizycznych właściwości. Niektóre z nich obserwowane są jedynie w bardzo młodych brązowych karłach, inne, tylko w tych niezwykle starych. Z powodu tych odmiennych cech, pozostawał nieuchwytny dla wcześniejszych poszukiwań wykorzystujących typowe metody detekcji.

“WISE 1534 jest tak ciemny i tak nietypowy, że nasz zespół potrzebował największego i najbardziej zaawansowanego obserwatorium, pracującego w podczerwieni Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba, by móc zbadać jego atmosferę” - zaznacza Dr Bartosz Gauza z Instytutu Astronomii im. prof. Janusza Gila UZ, współautor pracy. “Pośród kilku niespodzianek, szczególna okazała się jedna. Wykryliśmy dowód występowania cząsteczki, której początkowo nie potrafiliśmy zidentyfikować. Okazały się to być proste związki krzemu, tzw. Silany (SiH4), będące krzemowymi odpowiednikami metanu (CH4).” Astrofizycy od dawna oczekiwali, lecz nie byli w stanie, wykryć tego związku zarówno w atmosferach gazowych olbrzymów Układu Słonecznego, jak również w znanych brązowych karłach I planetach pozasłonecznych. The Accident jest pierwszym takim obiektem gdzie cząsteczki silanu zostały wykryte.

Naukowcy są stosunkowo pewni, że krzem występuje w atmosferach Jowisza i Saturna, lecz pozostaje niewidoczny. Wiążąc się z atomami tlenu, tworzy tlenki, takie jak kwarc, które mogą zasilać chmury pyłowe, zbliżone do występujących na Ziemi burz piaskowych. Jeśli tak jest, chmury te osiadają głęboko poniżej lżejszych warstw atmosfer - pary wodnej czy chmur amoniakowych tym samym stając się niedostępne nawet dla sond kosmicznych badających Jowisza oraz Saturna z bliska.

Niektórzy badacze zakładają również, że lżejsze związki krzemu, takie jak silany, powinny występować w wyższych warstwach atmosferycznych. To, że takie cząsteczki nie zostały dostrzeżone nigdzie indziej poza pojedynczym, nietypowym brązowym karłem, świadczy o procesach chemicznych występujących w tego typu środowiskach.

“Czasem to właśnie te ekstremalnie nietypowe obiekty pozwalają nam lepiej zrozumieć co dzieje się w przypadku tych bardziej przeciętnych,” mówi Prof. Jacqueline Faherty z Amerykańskiego Muzeum Historii Naturalnej w Nowym Jorku, liderka i główny autor nowego badania, którego wyniki zostały opublikowane w prestiżowym czasopiśmie Nature.

Szczęśliwy “Przypadek”

Znajdujący się w odległości około 50 lat świetlnych od Ziemi, Przypadek uformował się prawdopodobnie od 10 do 13 miliardów lat temu, co ustanawia go jednym z najstarszych odkrytych dotąd brązowych karłów. Wszechświat liczy sobie około 14 miliardów lat, zatem w czasie gdy obiekt ten powstawał, w kosmosie występowały głównie wodór i hel, ze śladowymi ilościami innych pierwiastków, łącznie z krzemem. W dalszych etapach ewolucji Wszechświata w jądrach gwiazd powstawały takie pierwiastki jak węgiel, azot i tlen, tak więc planety i gwiazdy, które uformowały się później, posiadają tych pierwiastków więcej.

Obserwacje WISE 1534 uzyskane przez Teleskop Webba potwierdzają, że silany mogą formować się w atmosferach brązowych karłów i planet. Fakt, że w innych brązowych karłach i gazowych olbrzymach silan najwyraźniej nie występuje sugeruje, że gdy dostępny jest tlen, wiąże się on z krzemem z tak dużą szybkością i łatwością, że praktycznie nie ma tam już krzemu, który mógłby wiązać się z wodorem i tworzyć silan.

Dlaczego w takim razie w atmosferze WISE 1534 widzimy silan? Autorzy badania przypuszczają, że dzieje się tak, ponieważ w momencie powstania tego pradawnego brązowego karła we Wszechświecie było znacznie mniej tlenu, co skutkowało mniejszą jego obfitością w atmosferze tego obiektu. Zbyt małą aby mógł pochłonąć znaczącą część dostępnego krzemu. Krzem zatem mógł wiązać się z wodorem, tworząc silan.

“The Accident to swego rodzaju laboratoryjny eksperyment prowadzony przez naturę.” jak mówi Prof. Peter Eisenhardt z JPL. “Nie możemy modyfikować atmosfer Jowisza czy Saturna, ale ten obiekt pokazuje nam jak takie planety mogłyby wyglądać w innych warunkach - w tym przypadku, co się dzieje, gdy planeta lub brązowy karzeł powstaje w warunkach zasadniczo pozbawionych tlenu. Chcieliśmy sprawdzić, dlaczego ten konkretny brązowy karzeł jest tak odmienny, lecz nie spodziewaliśmy się wykrycia silanów.”

Brązowe karły są często łatwiejsze do badania niż masywne planety pozasłoneczne, ponieważ światło odległej planety jest zazwyczaj zagłuszane przez światło znacznie jaśniejszej gwiazdy macierzystej, podczas gdy brązowe karły często występują samotnie. Wnioski, jakie naukowcy wyciągają na podstawie badań tych obiektów, dotyczą również planet wszelkiego rodzaju, w tym tych spoza Układu Słonecznego, które mogą wykazywać biosygnatury, potencjalne oznaki występowania życia. “Aby nie było wątpliwości, nie mówimy tu o poszukiwaniu oznak biologii na brązowych karłach”, mówi Dr Faherty. “Ale w szerszej perspektywie, przez badania całej tej różnorodności I złożoności planetarnych atmosfer, przygotowujemy scenę dla naukowców, którzy pewnego dnia będą musieli przeprowadzać tego typu analizy chemiczne dla skalistych planet pozasłonecznych podobnych do Ziemi. Może nie chodzić tam konkretnie o udział krzemu, ale dane które w przyszłości będą uzyskane, będą w podobny sposób skomplikowane, mylące i nie pasujące do dostępnych modeli teoretycznych, tak jak w przypadku naszego badania. Chcąc odpowiedzieć na te fundamentalne pytania, będą musieli przeanalizować wszystkie tego typu zawiłości."

Kontakt:
Dr Bartosz Gauza
Instytut Astronomii im. Prof. Janusza Gila, Uniwersytet Zielonogórski
email: b.gauza@ia.uz.zgora.pl
tel: +48 511 330 086

Link do oryginalnego artykułu w Nature: https://rdcu.be/eDWlO