PALE RED DOT: Dlaczego mamy obsesję na punkcie metali!

dnia 07/03/2016

Autor: James Jenkins, Universidad de Chile

Tutaj, na Ziemi, wszyscy wiemy czym są metale. Wszak to składniki stworzonego przez ludzkość świata przemysłu. Od puszek aluminiowych, w których przechowujemy napoje gazowane, przez kable miedziane, w których przesyłamy energię elektryczną po całym świecie, po olbrzymie budynki z żelaza dominujące na horyzoncie dużych miast.  Jednak dla astronomów metale to coś zupełnie innego. To wszystkie atomy, które nie powstały w dużej ilości w Wielkim Wybuchu[1]. Oznacza to, że w rzeczywistości astronomowie nazywają metalami wszystkie pierwiastki poza wodorem i helem. To wszystkie atomy, które uległy przekształceniu we wnętrzach olbrzymich gwiazd lub w potężnych eksplozjach gwiazd znanych jako supernowe. Idea metali została poetycko przedstawiona przez Carla Sagana w słynnym zdaniu, które ukazało się w jego książce pt. „Cosmos”: “Azot w naszym DNA, wapń w naszych zębach, żelazo w naszej krwi, węgiel w naszych szarlotkach – wszystko to powstało w zapadającej się gwieździe. Wszyscy jesteśmy z pyłu gwiezdnego.”

Obfitość metali, lub metaliczność, obiektów we Wszechświecie, ma istotny wpływ na wiele cech tych obiektów. Dla przykładu w przypadku supernowych, gwałtownych eksplozji stanowiących śmierć masywnych gwiazd, metaliczność umierającej gwiazdy przed kolapsem, który prowadzi do eksplozji, odgrywa główną rolę w określeniu typu supernowej, a tym samym ilości energii uwolnionej w eksplozji. Z drugiej strony, w środowisku egzoplanetologów [2] metaliczność gwiazd uzyskała zupełnie nowe znaczenie w 1997 roku, kiedy to zbadane zostały trzy gwiazdy macierzyste nowych egzoplanet. Okazało się, że wszystkie trzy miały dużo większą zawartość metali w atmosferach niż Słońce. Okazało się, że to tak zwane gwiazdy bogate w metale.

W kolejnych 19 latach od tego odkrycia astronomowie zauważyli, że istnieje bezpośredni związek pomiędzy ilością atomów żelaza w atmosferze gwiazdy i prawdopodobieństwem, że wokół niej krąży gazowa, olbrzymia planeta. De facto, okazało się, że w przypadku gwiazd podobnych do Słońca, charakteryzujących się metalicznością trzy razy wyższą od Słońca, ponad 30% posiada gazowe olbrzymy podobne do Jowisza, podczas gdy tylko 3% gwiazd o masie podobnej do Słońca posiada tego typu planety. Ten mniejszy procent gwiazd o niższej metaliczności, wokół których krążą gazowe olbrzymy, ujawnia się także w gwiazdach o jeszcze mniejszej zawartości metali. Zaledwie 0,3% gwiazd o metaliczności równej 0,1 metaliczności Słońca posiada gazowe planety. Ten związek stanowił pierwszy bezpośredni związek między właściwościami gwiazd mierzalnymi obserwacyjnie, a ich układami planetarnymi.

Okazuje się, że taki związek jak ten między ilością gazowych olbrzymów a metalicznością gwiazdy, stanowi kluczowy element procesu formowania planet poprzez akrecję jądra. W tym czasie główne teorie formowania planet skupiały się wokół akrecji jądra lub kolapsu grawitacyjnego. Proces formowania planet przez akrecję jądra to proces typu „dół-góra” (bottom-up), gdzie najmniejsze cząsteczki pyłu tworzącego dysk materii pozostały po procesie formowania gwiazdy, zaczynają się ze sobą zlepiać tworząc to co raz większe kamienie, skały i w końcu planetazymale. Planetazymale mogą dalej rosnąć poprzez akrecję większej ilości pyłu lub pozyskiwanie co raz większej ilości gazu z dysku. Z drugiej strony kolaps grawitacyjny to proces „góra-dół”, w którym dysk ulega fragmentacji na mniejsze obłoki pyłu i gazu wskutek niestabilności grawitacyjnej fragmentów dysku, które następnie z czasem zapadają się w sobie tworząc olbrzymie obiekty planetarne krążące wokół centralnej gwiazdy. Tak czy inaczej, warto pamiętać, że Ziemia, na której powstały istoty żywe, powstała z odpadków po procesie formowania się Słońca.

swp

Procent gwiazd wokół których krążą gazowe olbrzymy w stosunku do metaliczności gwiazdy ([Fe/H]). Wyraźnie widać, że gwiazdy z większą ilością metali w atmosferze mają dużo większą szansę na powstanie w ich pobliżu gazowych olbrzymów. Czerwona krzywa wskazuje najlepsze dopasowanie do danych (zamalowany obszar) a powyższe równanie opisuje model. Tak jak napisano w tekście, procent gwiazd, wokół których krążą gazowe olbrzymy wzrasta wraz ze wzrostem stosunku zawartości żelaza (Fe) do wodoru (H) w atmosferze gwiazdy. Źródło: Grafika zmodyfikowana w stosunku do oryginału opublikowanego przez Fischer & Valenti 2005, ApJ.

Oba te mechanizmy prowadzą do możliwych do przetestowania założeń, a stosunek gazowych olbrzymów krążących wokół gwiazdy w funkcji metaliczności gwiazdy był tym, który prowadził do różnych wniosków.  Z uwagi na fakt, że model akrecji jądra zaczyna się od sklejania najmniejszych drobin pyłu prowadząc do powstania większych obiektów – im więcej pyłu w dysku, tym szybciej takie struktury powstaną, i tym szybciej owe jądra będą mogły pozyskać gaz z dysku zanim dysk rozpłynie się w przestrzeń międzygwiezdną. Ponieważ dysk to tylko gruz pozostały po formowaniu się gwiazdy centralnej, dyski bogate w pył powinny istnieć wokół gwiazd bogatych w metale, czyli o większej metaliczności,  co wydaje się zgodne z obserwacjami. Z drugiej strony model kolapsu grawitacyjnego nie zależy od ilości pyłu w dysku i po prostu dyski o mniejszej zawartości pyłu powinny prowadzić do powstania równie wielu dużych planet jak w dyskach bogatych w pył – co oznacza, że żadne różnice między nimi nie powinny być obserwowane. Dlatego też był to kluczowy dowód na to, że planety powstają w procesach „dół-góra” takich jak akrecja jądra.

Dzięki najnowszym osiągnięciom technologii w laboratoriach oraz najnowszym danym dostarczanym astronomom przez teleskopy znajdujące się na orbicie takie jak Kepler, okazuje się, że nie wszystko jest takie proste w przypadku planet o mniejszej masie, szczególnie planet o masie zbliżonej do Neptuna lub mniejszej. Procent gwiazd, wokół których krążą takie planety, tzw. superziemie, nie rośnie wraz ze wzrostem metaliczności gwiazdy tak jak w przypadku gazowych olbrzymów. Co ciekawe – może być wręcz odwrotnie, tzn. planety o małej masie mogą częściej powstawać wokół gwiazd o niskiej metaliczności.

debris_disk

Wizja artystyczna bogatego w metale dysku protoplanetarnego wokół młodej gwiazdy. Gwiazdą jest jasne, świecące źródło w środku dysku, a małe skały i planetazymale zaczynają się tworzyć wokół niej dzięki dużej ilości metali, które mogą się ze sobą zlepiać i tworzyć zalążki planet. Źródło: NASA/JPL

Jeżeli populacja planet typu superziemia nie podąża tym samym torem co gazowe planety, co to mówi o ich procesie powstawania? Czy to oznacza, że nie powstają one w ten sam sposób poprzez akrecję jądra? Odpowiedź brzmi: nie, to wcale tego nie oznacza. Pamiętajmy, że akrecja jądra zakłada, że gazowe olbrzymy będą przeważnie powstawały wokół gwiazd o wysokiej metaliczności, ponieważ małe jądra, które zwiększają rozmiary do etapu dużego planetazymala zdolnego do przyciągania gazu muszą rosnąć wystarczająco szybko, aby załapać się na gaz, który mógłby uciec w przestrzeń międzygwiezdną. Niemniej jednak, planety o niskiej masie, które są zdominowane przez jądro lub nie wymagają dużych ilości gazu, nie muszą tak szybko powstawać. W otoczeniu charakteryzującym się mniejszą ilością metali, jądra powstają dłużej i dlatego też ich masa pozostaje niska, aż do momentu utraty dysku. Tym samym akrecja jądra także przewiduje, że planety o niskiej masie będą częściej występowały wokół gwiazd ubogich w metale niż gazowe olbrzymy – kolejny punkt dla teorii o formowaniu planet w procesie akrecji jądra!!

Metaliczność gwiazd, wokół któych krążą planety w funkcji minimalnej masy[3] planet odkrytych w tych układach. Należy wziąć pod uwagę, że jest to wykres tylko dla gwiazd, wokół których krążą planety o masie oszacowanej na masę Neptuna lub mniejszą. Czerwony obszar stanowi bardzo bogatą w metale część diagramu i wskazuje brak planet w porównaniu do bardziej ubogiego w metale obszaru w dolnej lewej ćwiartce wykresu.

Metaliczność gwiazd, wokół których krążą planety w funkcji minimalnej masy[3] planet odkrytych w tych układach. Należy wziąć pod uwagę, że jest to wykres tylko dla gwiazd, wokół których krążą planety o masie oszacowanej na masę Neptuna lub mniejszą. Czerwony obszar stanowi bardzo bogatą w metale część diagramu i wskazuje brak planet w porównaniu do bardziej ubogiego w metale obszaru w dolnej lewej ćwiartce wykresu.

Rola jaką metale odegrały w rozwoju ewoluującego wszechświata i powstaniu życia na Ziemi nie może być pomniejszana. Metale stanowią tkankę, która łączy nas z całym kosmosem. To ironiczne, że takie piękno ma swoje początki w tak gwałtownych wybuchach w przestrzeni kosmicznej. Jeżeli chodzi o Proxima Centauri, to gwiazda wyjątkowo bogata w metale, co oznacza, że jej mały dysk protoplanetarny może być bogaty w materię idealną do tworzenia planet. Możemy zatem mieć nadzieję, że część tych metali rozpoczęła chaotyczny taniec, który zakończył się powstaniem nowych planet i kto wie, przy takiej bogatej palecie metali, które mogły tam być obecne od początku, na owych planetach, które wykorzystały potencjał drzemiący w metalach, może powstało życie? Może właśnie projekt Pale Red Dot pomoże nam to sprawdzić!!

people-jamesjenkins

O autorze. James Jenkins jest profesorem na Universidad de Chile w Santiago, stolicy Chile. Skryty między otaczającymi go Andami, na szczycie Cerro Calan prowadzi obserwacje pobliskich gwiazd, szukając i próbując lepiej zrozumieć planety pozasłoneczne i ich gwiazdy macierzyste. James otrzymał tytuł doktora na University of Hertfordshire w 2007 roku, a następnie przyjął stanowisko adiunkta na Pennsylvania State University, gdzie pracował nad Precision Radial Velocity Spectrograph. Pod koniec 2008 roku rozpoczął pracę na Universidad de Chile jako adiunkt, a następnie jako Fondecyt Fellow w latach 2010-2013. Jego główne pole zainteresowań obejmuje odkrywanie planet krążących wokół gwiazd bogatych w metale w ramach przeglądu Calan-Hertfordshire Extrasolar Planet Search, poszukiwanie planet o bardzo niskiej masie w danych obejmujących prędkości radialne oraz planet krążących wokół olbrzymich gwiazd. James bada także aktywność magnetyczną gwiazd, wokół których krążą planety, starając się zrozumieć jak to źródło „szumu” można odfiltrować z danych wykorzystywanych do poszukiwania planet. James jst bardzo aktywnym członkiem projektu Pale Red Dot i jest jednym z edytorów palereddot.org.


Uwagi 

[1] Wielki Wybuch to nazwa nadana aktualnie obowiązującemu modelowi momentu powstania Wszechświata.

[2] Nazwa „egzoplaneta” to skrót od wyrażenia „planeta pozasłoneczna” oznaczającego planety krążące wokół gwiazd innych niż Słońce.

[3] Pamiętaj, że metoda detekcji za pomocą prędkości radialnych nie pozwala na ustalenie bezwzględnej masy towarzyszy gwiazdy, a jedynie ‚masy minimalnej’, ponieważ nie znamy w takim przypadku nachylenia układu do naszej linii widzenia.

Dodaj komentarz