a James Webb megfejtette a forró kristályok hideg rejtélyét
Az üstökösöket gyakran piszkos hógolyókként írják le, hiszen jelentős részben vízjégből, fagyott szén-dioxidból, szén-monoxidból, metánból, ammóniából, porból és szerves anyagokból állnak. Összetételükben azonban olyan ásványok is előfordulnak, amelyek látszólag egyáltalán nem illenek ebbe a fagyos környezetbe. A forsterit és az ensztatit nevű kristályos szilikátok kialakulásához körülbelül 900 kelvin, vagyis több mint 620 Celsius-fok szükséges, miközben az üstökösök ősei a fiatal Naprendszer hideg, külső tartományaiban álltak össze.
A csillagászok ezért évtizedek óta próbálják megérteni, hogyan kerülhettek magas hőmérsékleten létrejött kristályok a Jupiternél is távolabb kialakuló jeges égitestekbe. A James Webb-űrtávcső most egy fiatal csillag környezetében figyelte meg a folyamat két legfontosabb összetevőjét: a kristályok keletkezését a forró belső korongban, valamint egy olyan gázáramlási rendszert, amely kijuttathatja őket a hideg üstökösképző zónába.
A megfigyelések célpontja az EC 53 jelű protocsillag volt, amely a tőlünk mintegy 1300 fényévre található Kígyó-köd csillagkeletkezési területén helyezkedik el. Az EC 53 még nem tekinthető teljesen kialakult csillagnak. Egy sűrű gáz- és porburok veszi körül, belül pedig egy forgó akkréciós korong táplálja anyaggal. A korong síkjában a por fokozatos összetapadásával később kisbolygók, üstökösmagok és akár bolygók is kialakulhatnak.
Az EC 53 különösen értékes természetes laboratórium, mert fényessége szokatlanul szabályos időközönként változik. Körülbelül 18 havonta egy nagyjából száz napig tartó kitörési szakasz kezdődik, amikor a protocsillag a szokásosnál jóval gyorsabban nyeli el a korong belső részének anyagát. Az akkréció során felszabaduló gravitációs energia felhevíti a csillag közvetlen környezetét, miközben az anyag egy része keskeny nyalábok és szélesebb gázkiáramlások formájában távozik.
A kutatók ezt a kiszámítható ciklust használták ki. A Webb MIRI középinfravörös műszerével 2023. október 5-én, az EC 53 nyugalmi időszakában, majd 2024. május 10-én, egy kitörés alatt is felvették a rendszer színképét. A két mérés összehasonlításakor a kitörési spektrumban új, kristályos szilikátokra jellemző jelek jelentek meg. A részletes elemzés forsterit és ensztatit jelenlétét mutatta ki, amelyek az eredetileg rendezetlen szerkezetű, amorf porszemcsék hőkezelésével jöhettek létre.
A folyamat az ipari kerámiagyártásban alkalmazott hőkezeléshez hasonlítható. Ha egy amorf szilikátszemcse megfelelően magas hőmérsékletre kerül, atomjai rendezett kristályrácsba állhatnak. A modellek szerint az EC 53 kitörései alatt a szükséges hőmérséklet a korong belső részében alakul ki, nagyjából abban a tartományban, amely saját rendszerünkben a Nap és a Föld pályája közé esne. A kitörés tehát rövid időre kozmikus ásványkohóvá változtatja a fiatal csillag környezetét.
A kristályok elkészítése azonban csak a történet egyik fele. Ahhoz, hogy később üstökösökbe épüljenek, több milliárd kilométerrel kijjebb, a korong hideg vidékeire kell jutniuk. A Webb megfigyelései egy egymásba ágyazott kiáramlási rendszert tártak fel: középen keskeny, gyors, ionizált atomokból álló anyagsugár halad, ezt pedig lassabb és szélesebb molekuláris gázáramlások veszik körül. A különböző komponensek sebessége megközelítőleg 360 000, 180 000 és 36 000 km/h lehet.
A szerkezet jól illeszkedik a mágneses tér által hajtott korongszelek modelljéhez. A fiatal csillag és a korong mágneses tere gázt emelhet ki a belső régiókból, a felfelé sodródó gáz pedig magával ragadhatja az apró kristályos porszemcséket. Az anyag ezután ívelt pályán visszahullhat a korong távolabbi, hidegebb részeire. A korongszelek így egyfajta kozmikus szállítószalagként köthetik össze a forró kristálygyárat az üstökösök születési helyével.
Fontos különbség, hogy a Webb nem követte végig ugyanazokat a porszemcséket a belső korongtól egészen a külső régiókig. A mérések közvetlenül kimutatták a kristályos szilikátok kitörés közbeni kialakulását, és feltárták azt a kiáramlási szerkezetet, amely alkalmas lehet a szállításukra. A kristályok tényleges megérkezése az üstökösképző zónába ezért továbbra is a megfigyelésekkel erősen alátámasztott fizikai következtetés, nem pedig közvetlenül lefényképezett folyamat. A tanulmány jelentősége éppen abban áll, hogy a korábban külön-külön ismert jelenségeket ugyanabban a fiatal rendszerben sikerült összekapcsolni.
Az EC 53 még legalább százezer évig vastag porburokba rejtőzhet. Később a korong porszemcséi összeütköznek, összetapadnak, kavicsokká, majd kilométeres égitestekké növekednek. A hideg külső tartományokban létrejövő üstökösök így egyszerre őrizhetik meg a rendszer fagyott anyagait és a csillag közelében lezajlott rövid, rendkívül forró események ásványtani emlékeit.
A felfedezés saját Naprendszerünk múltjához is új támpontot ad. A fiatal Nap valószínűleg szintén szabálytalan vagy periodikus akkréciós kitöréseken ment keresztül. Ezek a felvillanások kristályosíthatták a belső korong szilikátjait, majd a mágnesesen hajtott korongszelek kiszórhatták az anyagot a Naprendszer távoli részeibe. Amikor ma egy üstökös megközelíti a Napot, és pora a világűrbe kerül, annak apró kristályai ezért egy 4,5 milliárd évvel ezelőtti kozmikus szállítási rendszer maradványai lehetnek.
A kutatás a Nature folyóiratban jelent meg; a részletes megfigyelési eredményeket a NASA Webb-közleménye és az Astronomy Magazine cikke ismerteti.
