Sníh v rodícím se planetárním systému

Astronomové využívající radioteleskop ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) poprvé v historii pořídili snímek takzvané sněžné čáry v mladém planetárním systému. Na planetě Zemi sněžná čára označuje nadmořskou výšku, ve které jsou teploty tak nízké, že vzdušná vlhkost vymrzá ve formě sněhu. Velmi nápadná je tato hranice v horách, kde je dobře pozorovatelné rozhraní mezi kameny a sněhem pokrytým povrchem.

Sněžná čára v okolí mladých hvězd se analogicky vyskytuje ve vzdálených chladných oblastech prachoplynného disku, ve kterém se formují planety. Se zvětšující se vzdáleností od hvězdy teplota v disku klesá. V určitém místě klesne teplota natolik, že voda vymrzne do podoby ledu. Tak vzniká první sněžná čára. Teplota však se vzdálenosti od hvězdy i nadále klesá, takže postupně mohou vymrzat i další exotičtější sloučeniny jako třeba oxid uhličitý (CO₂), metan (CH₄) nebo oxid uhelnatý (CO). Tyto různé druhy ledu poskytují prachovým částicím povrchový přilnavý povlak, který jim umožňuje hrát velmi důležitou úlohu při formování základních stavebních kamenů planet a komet. Díky tomuto „lepidlu“ se totiž zrnka mohou slepovat do větších útvarů, které se nerozbíjejí tak snadno při dalších srážkách. Led navíc zvyšuje množství dostupné hmoty v pevném skupenství a tím se výrazně zvyšuje rychlost vzniku planet.

Každá sněžná čára – pro vodu, CO₂, metan a CO – by mohla být spojena se vznikem určitého typu objektů [1]. V planetárních systémech podobných Sluneční soustavě odpovídá poloha sněžné čáry vody vzdálenosti mezi planetami Mars a Jupiter, sněžná čára oxidu uhličitého leží za drahou planety Neptun.  

Hranice zachycená při pozorování 175 světelných let vzdálené hvězdy TW Hydrae pomocí teleskopu ALMA odpovídá sněžné čáře oxidu uhelnatého. Astronomové se domnívají, že tento rodící se planetární systém má velmi podobné vlastnosti, jako měla Sluneční soustava, když byla jen několik milionů let stará.

„Teleskop ALMA nám poskytl první skutečný snímek sněžné čáry u mladé hvězdy. Je to mimořádně významné pozorování, protože přináší opravdu důležité informaci o raných fázích vývoje Sluneční soustavy,“ říká  Chunhua Qi (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Cambridge, USA), jeden z dvojice hlavních autorů článku. „Nyní můžeme přímo vidět doposud skryté detaily zamrzlých vzdálených oblastí v planetárním systému podobném tomu našemu.“

Přítomnost sněžné čáry oxidu uhelnatého však může mít mnohem závažnější důsledky než jen vznik planet. Oxid uhelnatý je totiž velmi důležitý při vzniku metanolu, který patří k základním stavebním kamenům složitějších organických molekul nezbytných pro vznik a vývoj života. Pokud komety tento materiál dopraví na rodící se planety zemského typu, obohatí je tím o látky potřebné k vývoji života. 

Až dosud se nikdy sněžné čáry zaznamenat nepodařilo, protože se vždy nacházejí v relativně úzké oblasti v rovině protoplanetárního disku, takže jejich přesnou polohu a rozlohu nebylo možné přesně určit. V místě sněžné čáry nad a pod rovinou disku totiž přímé záření hvězdy zabraňuje vzniku ledu. Vysoká koncentrace plynu a prachu v rovině disku poskytuje nutnou ochranu vzdálenějších oblastí před zářením, a díky tomu mohou oxid uhelnatý a další plyny ochladnout a zmrznout.   

Členům tohoto týmu se však podařilo pomocí malého triku nahlédnout do nitra disku, kde se led oxidu uhelnatého vytvořil.  Místo toho, aby hledali sníh – který není možné pozorovat přímo – pátrali po molekule N₂H⁺ (známé jako diazenylium), která intenzivně vyzařuje na milimetrových vlnových délkách, a je proto výborným cílem právě pro teleskop ALMA. Tato křehká molekula se však snadno rozpadá za přítomnosti oxidu uhelnatého v plynném stavu. Ve větším množství je tedy možné ji nalézt pouze v oblastech, kdy již oxid uhelnatý vymrzl a nemůže již reagovat s molekulami N₂H⁺. Podstatou detekce ledu oxidu uhelnatého je tedy výskyt molekul N₂H⁺.

Unikátní citlivost a rozlišení dalekohledu ALMA astronomům umožnila vystopovat přítomnost a rozložení molekul N2H+. Ve vzdálenosti přibližně 30 AU od centrální hvězdy (třicetkrát dále než je Země od Slunce) nalezli ostrou hranici výskytu molekuly N₂H⁺, která odpovídá poloze sněžné čáry oxidu uhelnatého v disku obklopujícím hvězdu TW Hydrae. Sněžná čára oxidu uhelnatého se nachází přesně v místě, kde byla teoreticky předpovězena – na vnitřním okraji prstence tvořeného molekulami N₂H⁺.

„Pro tato pozorování jsme použili pouze 26 antén z celkového konečného počtu 66 antén systému ALMA. Náznaky přítomností sněžných čar i u jiných hvězdy byly nalezeny i v dalších datech získaných pomocí ALMA. Jsme přesvědčeni, že budoucí pozorování prováděná již s celým polem radioteleskopů ALMA odhalí mnohé další a poskytne vzrušující pohled na formování a vývoj planet. Musíme jen počkat a uvidíme,“ dodává  Michiel Hogerheijde (Leiden Observatory, Nizozemí).

Zdroj

Poznámky

[1] Suché kamenné planety vznikají ve vnitřní části sněhové čáry vody (nejblíže hvězdy), v místech kde se vyskytuje pouze prach. Opačný extrém představují ledoví obři, kteří se vytvářejí za hranicí sněhové čáry oxidu uhelnatého.

Další informace

Mezinárodní astronomická observatoř ALMA je společným projektem Evropy, Severní Ameriky a východní Asie ve spolupráci s Chilskou republikou. ALMA je za Evropu financována ESO, za severní Ameriku NSF (National Science Foundation) ve spolupráci s NRC (National Research Council of Canada) a s NSC (National Science Council of Taiwan) a za východní Asii NINS (National Institutes of Natural Sciences) v Japonsku ve spolupráci s AS (Academia Sinica) na Taiwanu. Výstavba a provoz observatoře ALMA jsou ze strany Evropy řízeny ESO, ze Severní Ameriky NRAO (National Radio Astronomy Observatory), která je řízena AUI (Associated Universities, Inc.), a za východní Asii NAOJ (National Astronomical Observatory of Japan). Spojená observatoř ALMA (JAO, Joint ALMA Observatory) poskytuje jednotné vedení a řízení stavby, plánování a provoz teleskopu ALMA.

Výzkum byl prezentován v článku, který vyšel 18. července 2013 v odborném časopise Science Express.

Složení týmu: C. Qi (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, USA), K. I. Öberg (Departments of Chemistry and Astronomy, University of Virginia, USA), D. J. Wilner (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, USA), P. d’Alessio (Centro de Radioastronomía y Astrofisica, Universidad Nacional Autónoma de Mexico, Mexico), E. Bergin (Department of Astronomy, University of Michigan, USA), S. M. Andrews (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, USA), G. A. Blake (Division of Geological and Planetary Sciences, California Institute of Technology, USA), M. R. Hogerheijde (Leiden Observatory, Leiden, Netherlands) a E. F. van Dishoeck (Leiden Observatory, Leiden, Netherlands; Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, Německo.).

Qi a Öberg jsou hlavními spoluautory této práce.

ESO je nejvýznamnější mezivládní astronomická organizace Evropy a v současnosti nejproduktivnější pozemní astronomická observatoř. ESO podporuje celkem 15 členských zemí: Belgie, Brazílie, Česká republika, Dánsko, Finsko, Francie, Itálie, Německo, Nizozemsko, Portugalsko, Rakousko, Španělsko, Švédsko, Švýcarsko a Velká Británie. ESO uskutečňuje ambiciózní program zaměřený na návrh, konstrukci a úspěšný chod výkonných pozemních pozorovacích komplexů umožňujících astronomům dosáhnout významných vědeckých objevů. ESO také vedoucí úlohu při podpoře a organizaci spolupráce v astronomickém výzkumu. ESO provozuje tři unikátní pozorovací střediska světového významu nacházející se v Chile: La Silla, Paranal a Chajnantor. Na Observatoři Paranal provozuje Velmi velký teleskop (VLT), což je nejvyspělejší astronomická observatoř pro viditelnou oblast světla, a také dva další přehlídkové teleskopy. VISTA pracuje v infračervené části spektra a je největším přehlídkovým dalekohledem na světě, dalekohled VST (VLT Survey Telescope) je největším teleskopem navrženým k prohlídce oblohy výhradně ve viditelné části spektra. ESO je evropským partnerem revolučního astronomického teleskopu ALMA, největšího astronomického projektu současnosti. Pro viditelnou a blízkou infračervenou oblast ESO rovněž plánuje nový dalekohled E-ELT (European Extremely Large optical/near-infrared Telescope) s primárním zrcadlem o průměru 39 metrů, který se stane „největším okem do vesmíru“.

Odkazy

• více informací o ALMA
• snímky teleskopu ALMA
• tisková zpráva NRAO
• tisková zpráva CfA

Kontakty

Viktor Votruba; národní kontakt; Astronomický ústav AV ČR, 251 65 Ondřejov, Česká republika; Email: votruba@physics.muni.cz

Jiří Srba; překlad; Hvězdárna Valašské Meziříčí, p. o., Česká republika; Email: jsrba@astrovm.cz

Chunhua Qi; Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics; Cambridge, Mass., USA; Tel.: +1 617 495 7087; Email: cqi@cfa.harvard.edu

Michiel Hogerheijde; Leiden Observatory; Leiden, The Netherlands; Tel.: +31 6 4308 3291; Email: michiel@strw.leidenuniv.nl

Richard Hook; ESO, Public Information Officer; Garching bei München, Germany; Tel.: +49 89 3200 6655; Mobil: +49 151 1537 3591; Email: rhook@eso.org

Toto je překlad tiskové zprávy ESO eso1333. ESON -- ESON (ESO Science Outreach Network) je skupina spolupracovníku z jednotlivých členských zemí ESO, jejichž úkolem je sloužit jako kontaktní osoby pro lokální média.