Il telescopio James Webb ha osservato dischi protoplanetari nella Piccola Nube di Magellano che contraddicono le attuali teorie di formazione dei pianeti.
Il telescopio spaziale Hubble nel 2003 osservò una stella quasi vecchia quanto l’Universo stesso.In orbita attorno a questa antica stella c’era un pianeta enorme la cui stessa esistenza contraddiceva i modelli accettati di formazione dei pianeti. Infatti, le stelle nell’Universo primordiale non avevano il tempo di produrre abbastanza elementi pesanti per consentire la formazione dei pianeti. Grazie alle recenti osservazioni del telescopio spaziale James Webb, un team internazionale di scienziati ha annunciato di aver forse risolto questo enigma. Osservando le stelle nella Piccola Nube di Magellano (LMC) che non contiene grandi quantità di elementi pesanti, hanno trovato stelle con dischi protoplanetari che hanno una vita più lunga di quelli visti attorno alle stelle giovani nella nostra galassia, la Via Lattea, e contraddicono gli attuali modelli di formazione di pianeti.
Ai primordi dell’Universo grazie al James Webb
Secondo i modelli cosmologici accettati, le prime stelle nell’Universo (stelle di Popolazione III) si sono formate 13,7 miliardi di anni fa, appena poche centinaia di milioni di anni dopo il Big Bang. Queste stelle erano molto calde, luminose, massicce, di breve durata e composte da idrogeno ed elio, con pochissimi elementi pesanti. Questi elementi sono stati gradualmente forgiati all’interno delle stelle di Popolazione III, che li hanno distribuiti in tutto l’Universo una volta che sono esplose in una supernova e hanno soffiato via i loro strati esterni per formare nebulose di formazione stellare che gli scienziati hanno potuto osservare grazie alle straordinarie capacità del telescopio James Webb.
Formazione di dischi protoplanetari
Queste nebulose e le loro tracce di elementi più pesanti avrebbero formato la successiva generazione di stelle (Popolazione II). Dopo che queste stelle si sono formate da gas e polvere nella nebulosa che ha subito un collasso gravitazionale, il materiale rimanente è caduto attorno alle nuove stelle per formare dischi protoplanetari. Di conseguenza, le successive popolazioni di stelle contenevano concentrazioni più elevate di metalli (ovvero di metallicità). La presenza di questi elementi pesanti, che vanno dal carbonio e dall’ossigeno alla silice e al ferro, ha portato alla formazione dei primi pianeti.
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Una formazione anomala
Sulla destra c’è il confronto delle linee superiore e inferiore. Questo confronto mostra un grande picco nell’idrogeno molecolare freddo proveniente dalla stella ma non dal suo ambiente nebulare. Inoltre, l’idrogeno atomico mostra un picco più grande dalla stella. Ciò indica la presenza di un disco protoplanetario che circonda immediatamente la stella. I dati sono stati acquisiti con la matrice di microshutter sullo strumento NIRSpec (Near-Infrared Spectrometer) del James Webb Space Telescope.
Crediti: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI).
In quanto tale, la scoperta da parte di Hubble di un pianeta massiccio (2,5 volte la massa di Giove) attorno a una stella che esisteva solo 1 miliardo di anni dopo il Big Bang ha lasciato perplessi gli scienziati, poiché le stelle primitive contenevano solo piccole quantità di elementi più pesanti. Ciò implicava che la formazione dei pianeti fosse iniziata quando l’Universo era molto giovane e alcuni pianeti avevano avuto il tempo di diventare particolarmente massicci.
Un enorme ammasso di stelle ripreso dal James Webb
Per testare questa teoria, il team ha utilizzato il James Webb per osservare l’enorme ammasso di stelle NGC 346 nella Piccola Nube di Magellano, una galassia nana e una delle vicine più prossime della Via Lattea. Questo ammasso stellare è anche noto per avere quantità relativamente basse di elementi più pesanti e ha funzionato come un vicino proxy per gli ambienti stellari durante l’Universo primordiale. Le precedenti osservazioni di NGC 346 da parte di Hubble hanno rivelato che molte giovani stelle nell’ammasso (~20-30 milioni di anni) sembravano avere ancora dischi protoplanetari attorno a loro. Ciò è stato anche sorprendente poiché si riteneva che tali dischi si dissipassero dopo 2-3 milioni di anni.
Nuove domande
Queste scoperte del James Webb sollevano naturalmente la questione di come i dischi con pochi elementi pesanti (i veri e propri mattoni dei pianeti) possano resistere così a lungo. I ricercatori hanno suggerito due meccanismi distinti che potrebbero spiegare queste osservazioni, da soli o in combinazione. Una possibilità è che la pressione di radiazione di una stella possa essere efficace solo se elementi più pesanti dell’idrogeno e dell’elio sono presenti in quantità sufficienti nel disco. Tuttavia, l’ammasso NGC 346 ha solo circa il dieci percento degli elementi più pesanti del nostro Sole, quindi potrebbe volerci più tempo perché una stella in questo ammasso disperda il suo disco.
La seconda possibilità è che, laddove gli elementi più pesanti sono scarsi, una stella simile al Sole dovrebbe formarsi da una nube di gas più grande. Ciò produrrebbe anche un disco protoplanetario più grande e massiccio, che richiederebbe più tempo alla radiazione stellare per essere spazzata via.Con più materia attorno alle stelle, l’accrescimento dura più a lungo. I dischi impiegano dieci volte di più a scomparire. Questo ha implicazioni su come si forma un pianeta e sul tipo di architettura di sistema che si può avere in questi diversi ambienti.
Obiettivi futuri
Come molte delle osservazioni del James Webb, queste scoperte sono un promemoria appropriato di ciò per cui è stato progettato il telescopio spaziale di nuova generazione. Oltre a confermare la tensione di Hubble, il telescopio James Webb ha osservato più galassie (e più grandi) nell’Universo primordiale rispetto a quanto previsto dai modelli. Ha anche osservato che i semi dei buchi neri supermassicci (SMBH) erano più massicci del previsto. A questo proposito, il JWST sta facendo il suo lavoro facendo sì che gli astronomi riconsiderino teorie accettate da decenni. Da ciò, seguiranno nuove teorie e scoperte che potrebbero capovolgere ciò che pensiamo di sapere sul cosmo.
Per saperne di più
- Leggi l’articolo originale su Universe Today
- Leggi l’articolo su NASA
- Leggi il paper scientifico intitolato “Protoplanetary Disks around Sun-like Stars Appear to Live Longer When the Metallicity is Low” e pubblicato su The Astrophisical Journal
