Exact sciences [2021-12-16]

Narodziny gwiazdy

— Żaneta Kopczyńska

Jakie znaczenie na proces formowania się nowych gwiazd i całych układów planetarnych ma promieniowanie UV? Temat długo pozostawał niezbadany, zajęła się nim dr Agata Karska i jej doktorantka Agnieszka Mirocha. Wyniki ich pracy mogą powiedzieć więcej o naszym kosmicznym pochodzeniu.

Dr Agata Karska z Instytutu Astronomii na Wydziale Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej UMK zajmuje się promieniowaniem UV występującym wokół protogwiazd i jego znaczeniem dla formowania się nowych obiektów oraz otaczających ich układów planetarnych. Interesuje ją, jak powstają mało masywne obiekty, czyli takie jak nasze Słońce. Między innymi dzięki jej badaniom będziemy mogli dowiedzieć się więcej o dalekiej przeszłości Ziemi.

- Protogwiazdy to młode, dopiero formujące się gwiazdy. W swojej przyszłości zaczną czerpać energię z syntezy termojądrowej i dopiero wówczas staną się "pełnoprawnymi" gwiazdami - tłumaczy dr Agata Karska.

Trudne obserwacje

Młode gwiazdy znajdują się w obłokach pyłowo-gazowych, nieprzepuszczalnych dla światła widzialnego – stąd też biorą się problemy z obserwacją tego typu obiektów.

Konieczne są obserwacje w dłuższych falach elektromagnetycznych, najlepiej w dalekiej podczerwieni, gdzie znajduje się maksimum jasności pyłu, oraz w zakresie submilimetrowym, zawierającym kluczowe przejścia molekularne, które można wykorzystać do pomiaru temperatury i gęstości gazu w bezpośrednim otoczeniu protogwiazdy – wyjaśnia dr Karska. – Światło widzialne czy ultrafiolet są całkowicie pochłaniane przez ziarenka pyłu. Natomiast dzięki obserwacjom linii rotacyjnych interesujących nas molekuł w zakresie submilimetrowym potrafimy określić warunki fizyczne gazu oraz ilość różnych molekuł w bezpośrednim  otoczeniu protogwiazdy. Na tej podstawie wnioskujemy o procesach fizycznych i chemicznych prowadzących do powstawania gwiazd i planet.

Właśnie na podstawie analizy występowania molekuł wody wokół protogwiazd udało się potwierdzić występowanie promieniowania UV w obszarach formowania gwiazd małomasywnych. Niestety, obserwacje wykonane przy użyciu teleskopu kosmicznego Herschela nie mogły być kontynuowane z powodu zakończenia misji w 2014 roku. Stąd pomysł na wykorzystanie molekuł HCN i CN, które mogą być obserwowane z powierzchni Ziemi.

O najnowszych badaniach bazujących na obserwacjach tych molekuł przy użyciu teleskopu IRAM w Hiszpanii można przeczytać w artykule "Signatures of UV radiation in low-mass protostars I. Origin of HCN and CN emission in the Serpens Main region", który ukazał się właśnie w prestiżowym czasopiśmie "Astronomy &Astrophysics". Jego pierwsza autorką jest Agnieszka Mirocha, absolwentka astronomii na Uniwersytecie Jagiellońskim, wcześniej magistrantka, a teraz doktorantka dr Agaty Karskiej, drugiej autorki artykułu.

- Nasz pomysł polegał na przyjrzeniu się występowaniu dwóch molekuł: HCN i CN. Potraktowaliśmy je jako wskaźniki tego, gdzie i w jakim natężeniu występuje promieniowanie UV – mówi mgr Agnieszka Mirocha z Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Jagiellońskiego. – W gazie, który znajduje się w obłoku otaczającym protogwiazdę, znajduje się wiele molekuł mających różne właściwości. Ich ilość występująca w gazie zależy od efektywności reakcji chemicznych prowadzących do ich tworzenia i niszczenia, zależnych od warunków fizycznych, ale także dodatkowych procesów, jak oświetlanie przez promieniowanie UV.

Jeszcze do niedawna nie było dla astronomów jasne, czy protogwiazdy są źródłem promieniowania UV. Dziś wiemy, że choć same go nie produkują, to opadająca z dysku na gwiazdę materia nie tylko zmienia strukturę fali uderzeniowej, prowadząc do zwiększonej kompresji gazu, ale również tworzy bardzo gorący, świecący obszar.

- Gdy obłok pyłowo-gazowy, który otacza protogwiazdę, zapada się, wówczas mamy do czynienia z akrecją, czyli opadaniem materii na gwiazdę. Dochodzi wówczas często do utworzenia się tzw. szoku akrecyjnego – w miejscu opadnięcia materii temperatura znacząco wzrasta  – tłumaczy dr Karska. - Z drugiej strony wiemy też, że z powodu rotacji - ponieważ obłok nie tylko "zapada się" pod wpływem grawitacji, ale też rotuje – i w obecności pola magnetycznego, część materii jest na powrót wyrzucana w przestrzeń kosmiczną.

Mówimy wtedy o wypływach molekularnych. Mamy więc do czynienia z wyrzutem materii i oddziaływaniem materii na otoczkę pyłowo-gazową. Zderzenie wyrzucanej materii z otoczką powoduje z kolei fale uderzeniowe, w których dochodzi do skokowego wzrostu temperatury i gęstości. Mogą więc być wtedy produkowane fotony UV.

- Sądzimy, że źródłem promieniowania UV, które udało nam się zaobserwować, są głównie wypływy – dodaje dr Karska.

Niszczące promieniowanie

- Z czysto chemicznej perspektywy wnioski płynące z obserwacji radioastronomicznych mogły wydać się zaskakujące: stężenia stabilnego związku, jakim jest cyjanowodór, były zdecydowanie niższe niż reaktywnego rodnika, jakim jest CN. W warunkach fizycznych typowych dla obserwowanych obiektów, taki wynik najłatwiej tłumaczyć istnieniem znaczącej ilości fotonów UV – podkreśla kolejny z współautorów pracy, dr Marcin Gronowski z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk.

- W naszej pracy udało się nam pokazać, że molekuły HCN i CN są dobrymi miernikami promieniowania UV – mówi dr Karska. – Wykazaliśmy, że w obszarze, który nas interesuje, dominującą reakcję niszczenia HCN jest reakcja tej molekuły z fotonem UV. Jednocześnie CN jest bardziej odporny na fotodysocjację. Oznacza to, że ten sam foton, który niszczy HCN, nie niszczy CN – w przypadku tej drugiej molekuły potrzebne jest bowiem bardziej energetyczne promieniowanie UV.

Prowadząc badania, doskonale zdawaliśmy sobie sprawę, że chemia ośrodka międzygwiazdowego bywa zaskakująca – mówi dr Gronowski. – Wiemy o istnieniu około 200 cząsteczek w tego typu obiektach, choć jest ich tam zapewne o wiele więcej. Wszystkie mogą wchodzić ze sobą w reakcje prowadzące do rozmaitych produktów. Tworzy to skomplikowaną sieć zależności pomiędzy stężeniami molekuł. Poziom skomplikowania chemii w tego typu obiektach jest tak duży, że wyłuskanie informacji, które procesy chemiczne kształtują stężenia CN i HCN, wcale nie było łatwe.

Siła interdyscyplinarności

- Zależało nam, by oprócz fizycznego spojrzenia na procesy, które zachodzą w otoczeniu protogwiazd i powodują promieniowanie UV, uwzględnić także modelowanie chemiczne obłoku wokół formujących się obiektów – mówi dr Karska. – Wzięliśmy więc pod uwagę tysiące reakcji chemicznych. W modelach przyglądaliśmy się reakcjom, które mogą zajść, gdy będziemy mieli do czynienia z promieniowaniem UV o różnej intensywności. Sprawdziliśmy przede wszystkim, czy nasze założenie o tym, że niszczone przez promieniowanie HCN daje nam CN, jest uzasadnione chemicznie.

Niesamowitym jest to, jak interdyscyplinarne są badania nad formowaniem się gwiazd. Jeśli chcemy dowiedzieć się czegoś o naszej kosmicznej przeszłości, musimy skorzystać w równej mierze z wiedzy astrofizycznej, jak i tej z zakresu kinetyki chemicznej, spektroskopii, fotochemii, fizyki molekularnej, chemii kwantowej – podkreślają zgodnie dr Karska i dr Gronowski.