James Webb po raz pierwszy odkrył zamarzniętą wodę w młodym układzie gwiezdnym

Znaleziono go już wcześniej w pierścieniach Saturna i lodowych ciałach Pasa Kuipera w naszym Układzie Słonecznym, ale nigdy w takim miejscu jak to. Międzynarodowy zespół badaczy, w którego skład wchodziła astrofizyczka Noemí Pinilla z Uniwersytetu w Oviedo i Instytutu Nauk Kosmicznych i Technologii Asturii (ICTEA), po raz pierwszy odkrył krystaliczny lód wodny w dysku pyłowych szczątków wokół młodej gwiazdy podobnej do Słońca. Przyszły układ gwiezdny, oddalony o 155 lat świetlnych, został zaobserwowany za pomocą Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba należącego do NASA. Odkrycie to „wzmacnia ideę, że życie może istnieć nie tylko na naszej planecie lub w naszym sąsiedztwie, ale w dowolnym miejscu we wszechświecie, w którym panują podobne warunki” – powiedział Pinilla tej gazecie.

Astronomowie czekali na te „niepodważalne” dane przez dziesięciolecia. Już w 2008 roku obserwacje wykonane przez Kosmiczny Teleskop Spitzera należący do NASA sugerowały możliwość występowania w tym układzie zamarzniętej wody, ale dopiero teraz Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba wykrył ją „jednoznacznie”, jak twierdzi Chen Xie, naukowiec z Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa w Baltimore w stanie Maryland (USA) i główny autor artykułu opublikowanego w tę środę w czasopiśmie „Nature”. Cała wykryta zamarznięta woda łączy się z drobnymi cząsteczkami pyłu na całym dysku, niczym „brudne śnieżki”.

Gwiazda skatalogowana jako HD 181327 jest znacznie młodsza od naszego Słońca. Szacuje się, że ma 23 miliony lat, podczas gdy nasza gwiazda ma 4,6 miliarda lat. Jest on również nieco masywniejszy i gorętszy, co doprowadziło do powstania wokół niego nieco większego układu.

Obserwacje Webba potwierdzają istnienie znacznej przerwy między gwiazdą a dyskiem pyłowym – jest to duży obszar wolny od pyłu. Dysk ten przypomina nasz Pas Kuipera, w którym czasami zderzają się planety karłowate, komety i inne bryły lodu i skał. Miliardy lat temu nasz Pas Kuipera prawdopodobnie przypominał dysk szczątków tej gwiazdy. „To tak, jakbyśmy oglądali nasz układ słoneczny miliardy lat temu, w jego kosmicznym początku” – mówi Pinilla,

„HD 181327 to bardzo aktywny system” – powiedział Chen. „W jego dysku szczątkowym regularnie dochodzi do kolizji. Gdy te lodowe ciała zderzają się, uwalniają maleńkie cząsteczki pyłowego lodu wodnego, które mają idealny rozmiar do wykrycia przez Webba”.

Lód wodny nie jest równomiernie rozłożony w całym systemie. Większość, bo 20%, znajduje się tam, gdzie jest najzimniej i najdalej od gwiazdy. Jednak im dokładniej badacze przyglądali się temu miejscu, tym mniej lodu wodnego znajdowali. W centrum dysku szczątków Webb wykrył około 8% lodu wodnego. W tym przypadku powstawanie zamrożonych cząsteczek wody będzie prawdopodobnie szybsze niż ich niszczenie. W obszarze dysku szczątków znajdującym się najbliżej gwiazdy nie wykryto prawie żadnego obiektu. Ultrafioletowe światło gwiazdy najprawdopodobniej odparowuje pobliskie plamki, albo skały zwane planetozymalami uwięziły je w swoim wnętrzu.

Lód wodny jest kluczowym składnikiem dysków otaczających młode gwiazdy. Ma on ogromny wpływ na powstawanie planet olbrzymów, a także może być przenoszony przez małe ciała niebieskie, takie jak komety i asteroidy, na w pełni uformowane planety skaliste. A dzięki wodzie rosną nadzieje na życie w innych zakątkach wszechświata.

„Z tego, co wiemy, jeśli istnieje ciekła woda i cząsteczki węgla, rozwój życia jest bardziej prawdopodobny” – mówi Pinilla. „W naszym Układzie Słonecznym szukamy oznak życia na lodowych satelitach, takich jak Europa (księżyc Jowisza), gdzie pod warstwą strukturalnego lodu znajdują się oceany ciekłej wody. Teraz, gdy potwierdziliśmy obecność lodu wodnego i prawdopodobnie lodu molekularnego zawierającego węgiel, wiemy, że lodowe planetozymale podobne do światów oceanicznych w naszym Układzie Słonecznym mogą istnieć, a zderzenia, które tworzą ten lodowy pył, mogą wysłać nasiona życia na cieplejsze, skaliste planety” – mówi.

Jak wyjaśnia, „Jeśli olbrzymie planety już uformowały się w dysku szczątkowym, lodowe planety lub ich księżyce nadal mogą się uformować. To odkrycie mówi nam, że powstawanie planet, które teoretyzujemy w naszym układzie słonecznym, może być procesem uniwersalnym, wspólnym dla egzoplanet”.

Wykrycie przez Webba lodu wodnego umożliwiło naukowcom badanie w nowy sposób, w jaki te procesy zachodzą w wielu innych układach planetarnych. Noemí Pinilla przybyła do ICTEA w październiku z grantem ATRAE mającym na celu przyciągnięcie hiszpańskich naukowców za granicę. Ma nadzieję, że do jego grupy dołączą kolejni studenci.

Mimo że początkowo nie należał do tego zespołu badawczego, jego doświadczenie w badaniu Układu Słonecznego — a w szczególności obiektów lodowych — okazało się istotne i niezbędne do interpretacji uzyskanych danych. Gdy główny badacz przeanalizował uzyskane widma, zidentyfikował cechy wskazujące na obecność dysku lodowych planetozymali, bardzo podobnego do dysku, który w zamierzchłych czasach dał początek pasowi transneptunowemu i tak charakterystycznym obiektom jak Pluton. Wtedy zwróciła się do asturyjskiego naukowca z prośbą o współpracę w zakresie interpretacji widmowej, biorąc pod uwagę jej doświadczenie w zakresie małych ciał w Układzie Słonecznym.

Zdaniem astrofizyka, Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba stał się „maszyną marzeń” dla nauki, przekształcając wiele hipotez, na których przez dziesięciolecia opierała się eksploracja kosmosu, w rzeczywiste dane i odkrycia. „Webb łączy ze sobą kluczowe skale i etapy formowania się planet, od ośrodka międzygwiazdowego i obłoków molekularnych po dyski protoplanetarne, egzoplanety i ostatecznie nasz Układ Słoneczny” – podkreślił.