Vesmírný dalekohled Jamese Webba - první plány

NASA zveřejnila, čím se bude zabývat vesmírný dalekohled Jamese Webba, který bude startovat 18. prosince 2021 z Francouzské Guyany. (délka blogu 5 min.)   

Vědcům se už povedlo určit několik tisíc exoplanet, které obíhají kolem poměrně (na vesmírné poměry) nedalekých hvězd. Zjistili přitom, že jsou velice různorodé. To samozřejmě vyvolává další otázky. Proč mají tak rozdílné vlastnosti? 

Vědecký pokrok (konkrétně vesmírný dalekohled Jamese Webba) nám brzy dovolí blíže prozkoumat vývoj planet a mimo jiné zjistit, co kdysi přispělo ke vzniku života na Zemi, když se vytvořilo příhodné prostředí v podobě naší vlastní planety. 

Co už víme?

Už před několika roky byl proveden rozsáhlý výzkum protoplanetárních disků, obíhajících kolem blízkých nebo středně vzdálených hvězd. Podílela se na něm evropská agentura ESA a observatoře, které se nacházejí v Chile - v jednom z nejsušších míst na naší planetě. V nadmořské výšce kolem 5000 m se tu nachází poušť Atacama, která hostí síť radioteleskopů jménem ALMA. ALMA se účastnila projektu High Angular Resolution Project (DSHARP), jehož výsledkem byly poznatky o rychlosti vývoje a uspořádání různých protoplanetárních disků. 

Dnes platné modely, které popisují formování planet, vycházejí z toho, že se planety rodí v průběhu milionů let postupným hromaděním prachu a plynu uvnitř protoplanetárního disku. Zprvu se formují zrna prachu, která se spojují a vytvářejí větší a větší útvary, až vzniknou tělesa velikosti asteroidů, planetesimál a v poslední fázi vývoje také planety, tak jak je známé z naší vlastní soustavy. 

DSHARP studovala právě takové prachové částice, které se vyskytují v protoplanetárním disku. Dají se detekovat pomocí rádiových vln s vlnovou délkou v řádu milimetrů, což umožňuje teleskopům ALMA přesně mapovat rozložení hustoty malých pevných částic kolem mladých hvězd. 

Výzkum odhalil zajímavé struktury prachových disků. Byly v nich nalezeny poměrně prázdné mezery i hustší oblasti, stejně jako nepravidelné struktury. To zřejmě vysvětluje někdejší hlavní nedostatek teorie vzniku planet. Jakmile prachová tělesa dosáhnou určité velikosti – asi jeden centimetr v průměru – měly by je gravitační podmínky, které panují v rovnoměrně utvořeném protoplanetárním disku, donutit spadnout do mateřské hvězdy. To se zjevně neděje ani v exosystémech - a nestalo se to kdysi ani v naší Sluneční soustavě. Vesmír a přírodní zákony jsou zřejmě zodpovědné za to, že se prach a malé konglomeráty (kameny), místo co by pomalu klesaly k mateřské hvězdě, koncentrují v prstencích, které obíhají kolem ní. V každém takovém prstenci je dost hmoty na to, aby se z nich vytvořilo hned několik planet. 

Vesmírný dalekohled Jamese Webba a jeho průzkum planetárních disků

Vesmírný teleskop se bude věnovat hned 17 z nejbližších protoplanetárních disků. Vědci se budou snažit získat nejenom data o jejich uspořádání, ale také o chemických vlastnostech hmoty v různých částech disku. 

Očekává se, že budou moci určit množství vody, oxidu uhelnatého, oxidu uhličitého, metanu a čpavku v každém disku. Na pomoc si vezmou mimo jiné spektroskopii a budou odhadovat nejen obsah prvků nezbytných pro život (kyslík, uhlík a dusík, apod.), ale také jejich umístění a vzdálenost od centrální hvězdy. Bude zajímavé zjistit, jestli se v těchto budoucích exoplanetárních soustavách voda nachází právě tam, kde jsou příznivé podmínky pro vznik života. 

Horní schema vzniklo díky projektu DSHARP. Ten zkoumal protoplanetární disky v oblasti záření s délkou vlny 1,25 mm. Jak je vidět, objevil ve všech exosystémech struktury, které září v této oblasti elektromagnetického záření. Přitom nemusí nutně odpovídat strukturám, které můžeme vidět v oblasti viditelného světla, jak se ukázalo. 

Projekt dosáhl rozlišení zhruba 5 AU (astronomických jednotek,  tedy vzdáleností mezi Sluncem a Zemí). 

Vědci zjistili, že prozkoumané systémy, mají různorodou strukturu. Vyskytují se v nich prstencové útvary, nedá se ovšem říci, že by měly nějakou systematiku. Mohou mít průměr několik AU nebo několik desítek AU. Vesmír zjevně neupřednostňuje žádnou určitou architekturu těchto disků. 

Také intenzita záření různých prstenců v discích je odlišná. Může se lišit od jednotek do stovky procent. V některých ze systémů byly dokonce nalezeny jak pravidelné prstence tak spirální ramena a asymetrické útvary tvaru půlměsíce. 

A možná to hlavní: mezi polohami různých struktur a vlastnostmi centrální hvězdy systému - nebyl pozorován žádný jasný trend. 

Neexistuje vztah mezi svítivostí mateřské hvězdy a strukturou disku. Jinými slovy - hustší oblasti a jiné substruktury se nevyskytují přednostně v blízkosti hlavních molekulárních sněžných hranic daného systému. 

V praxi to znamená, že dané struktury se mohou vyskytovat v podstatě v jakékoliv vzdálenosti od centrální hvězdy - respektive v oblasti, kterou mohly prozkoumat teleskopy ALMA (5 - 150 AU). Ve stejném protoplanetárním disku se mohou vyskytovat úzké i široké mezery v hustých oblacích prachu. 

Tento zajímavý výzkum bude teď pokračovat pomocí vysoce citlivého vesmírného dalekohledu Jamese Webba, který se jistě zaslouží o spoustu dalších poznatků. Dá se čekat, že objeví další nečekané jevy, kterým se pak bude NASA věnovat podrobněji. Data, která bude teleskop zasílat na Zemi, budou mimochodem dána k dispozici celé vědecké komunitě podle principu - víc očí víc vidí. 

Můžeme se tedy těšit na další objevy a nové znalosti. Držme palce, aby raketa Ariane 5 odstartovala 18. prosince bez problémů. Na první data se smíme těšit už během šesti měsíců.