Dr Agata Karska z Interdyscyplinarnego Centrum Nowoczesnych Technologii UMK i Iason Skretas z Instytutu Radioastronomii im. Maxa Plancka w Niemczech wykorzystali teleskop kosmiczny Jamesa Webba do obserwacji pięciu młodych gwiazd w obszarze Wężownika. Interesowało ich przede wszystkim promieniowanie ultrafioletowe i jego rola w powstawaniu gwiazd. Wyniki swoich badań opublikowali w renomowanym czasopiśmie "Astronomy & Astrophysics".
Artykuł "UV-irradiated outflows from low-mass protostars in Ophiuchus with JWST/MIRI" został właśnie opublikowany w jednym z najbardziej prestiżowych czasopism naukowych na świecie – "Astronomy & Astrophysics". Dr Agata Karska z Interdyscyplinarnego Centrum Nowoczesnych Technologii Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu oraz Iason Skretas, doktorant w Instytucie Radioastronomii im. Maxa Plancka w Bonn w Niemczech, opisali w nim wyniki swoich badań. W analizach wykorzystali dane teleskopu kosmicznego Jamesa Webba (JWST), największego i najpotężniejszego obserwatorium kosmicznego działającego w podczerwieni. Jego główne lustro ma średnicę 6,5 m i jest wyposażone w rozkładaną osłonę przeciwsłoneczną wielkości boiska do koszykówki.
Obłoki materii w Wężowniku
Chcieliśmy przyjrzeć się bliżej protogwiazdom, czyli młodym gwiazdom, które wciąż powstają w głębi macierzystych obłoków molekularnych. Gdy protogwiazdy gromadzą masę, część z niej wyrzucają na zewnątrz w postaci strumieni materii – mówi Iason Skretas. – Są to tak zwane wypływy, które stanowią najbardziej spektakularny znak powstawania gwiazd.
Dr Karska tłumaczy, że na podstawie wcześniejszych obserwacji przeprowadzonych za pomocą teleskopu Herschela, byli w stanie wykazać, że aby zrozumieć chemię i fizykę wypływów molekularnych z młodych gwiazd, muszą wziąć pod uwagę istnienie promieniowania ultrafioletowego (UV).
– To pierwsza niespodzianka. Młode gwiazdy nie są jeszcze w stanie być źródłem takiego promieniowania, nie mogą go "wytwarzać". Nie powinniśmy więc się go spodziewać. A jednak wykazaliśmy, że promieniowanie UV występuje w pobliżu protogwiazd. Skąd więc się wzięło, jakie jest jego źródło – wewnętrzne czy zewnętrzne? Postanowiliśmy to zbadać – dodaje dr Agata Karska.
Kosmiczny teleskop Jamesa Webba został skierowany na młode gwiazdy w obszarze Wężownika (Ophiuchus) za pomocą instrumentu MIRI (Mid-Infrared Instrument). Znajdujący się w odległości 450 lat świetlnych od nas obłok molekularny zawiera kilka gwiazd typu B, które są bardzo młode, gorące i silnie emitują promieniowanie ultrafioletowe.
Instrument MIRI pozwala obserwować obiekty astronomiczne w zakresie od 2 do 28 mikrometrów, obejmującym wiele linii cząsteczkowego wodoru (H2), którym nie można przyjrzeć się z powierzchni Ziemi ze względu na naszą atmosferę. Teleskop kosmiczny Jamesa Webba jest więc niezbędny do tego typu działań, ponieważ pozwala nam obserwować te linie nawet z bardzo słabych obiektów z wysoką rozdzielczością. Do wnikliwej obserwacji wytypowali pięć obiektów różnie rozmieszczonych w stosunku do tych młodych gwiazd. Skupili się na analizie linii molekularnego wodoru.
Dla astronomów H2 jest najważniejszą cząsteczką we Wszechświecie. Przede wszystkim jest to cząsteczka występująca najczęściej – średnio jest jej aż 10 tys. razy więcej niż tlenku węgla, drugiej najczęściej występującej cząsteczki w przestrzeni kosmicznej – wyjaśnia dr Agata Karska. – Jednocześnie struktura cząsteczki H2 sprawia, że bardzo trudno jest ją obserwować w obłokach molekularnych, ponieważ temperatura jest zbyt niska, aby wzbudzić cząsteczkę. Jednak fale uderzeniowe, wytworzone przez wyrzuty z młodych gwiazd, zwiększają temperaturę materii, przez co jesteśmy w stanie wzbudzić molekułę do "świecenia".
W kierunku źródła promieniowania
Analiza obserwacji JWST w gwiazdozbiorze Wężownika wyraźnie wykazała obecność promieniowania UV w pobliżu protogwiazd i ich wypływów. Dr Agata Karska i Iason Skretas zadali pytania o to, skąd pochodzi to promieniowanie. Czy jest ono związane z procesami zachodzącymi w bezpośrednim sąsiedztwie protogwiazd, na przykład z falami uderzeniowymi powstałymi podczas spadania materii na protogwiazdę (szoki akrecyjne) czy może z falami uderzeniowymi powstającymi wzdłuż wypływów?
– A może źródło jest zewnętrzne – inne pobliskie młode gwiazdy, które już się uformowały, oświetlają nasze protogwiazdy z ich wypływami i to właśnie to promieniowanie UV wpływa na obserwowaną emisję? – mówi Iason Skretas.
Aby oszacować zewnętrzne promieniowanie UV, astronomowie zastosowali dwie metody. Pierwsza polegała na analizie własności pobliskich gwiazd i ich odległościach od obserwowanych źródeł. Druga zaś zakładała wykorzystanie pyłu znajdującego się w obłokach molekularnych. Pył ten ma zdolność pochłaniania promieniowania UV na krótkich falach, a następnie ponownego emitowania go na większych długościach fal. Obserwacje pozwoliły określić intensywność promieniowania, które najpierw zostało zaabsorbowane przez pył obecny w obłoku, a następnie ponownie wyemitowane na dłuższych falach światła.
Korzystając z tych dwóch metod, wykazaliśmy, że promieniowanie UV – w odniesieniu do warunków zewnętrznych – różni się znacznie między naszymi protogwiazdami, a zatem powinniśmy zaobserwować różnice w emisji molekularnej. Okazuje się jednak, że ich nie widzimy – wyjaśnia Iason Skretas.
– Musieliśmy więc odrzucić hipotezę o zewnętrznym źródle promieniowania. Możemy jednak z całą pewnością stwierdzić, że promieniowanie UV jest obecne w pobliżu protogwiazdy, ponieważ niewątpliwie wpływa na obserwowane linie molekularne. Dlatego też jego źródło musi być wewnętrzne – dodaje dr Agata Karska.
Wyniki badań wskazują na konieczność uwzględnienia produkcji promieniowania UV w modelach opisujących powstawanie gwiazd. Astronomowie zaznaczają, że przyszła analiza obserwacji JWST powinna skoncentrować się nie tylko na gazie, ale także na składzie pyłu i lodu, oferując alternatywne sposoby określenia źródła promieniowania UV wokół protogwiazd. Większa liczba obserwowanych obiektów, w tym obserwacje obejmujące całkowity obszar wypływów, mogą być ważnym krokiem w ścisłym określeniu miejsca powstawania promieniowania UV.