Trottole planetarie negli occhi di Webb

This month’s ESA/Webb Picture of the Month offers us a two-for-one on brand new stars — with some potential planets thrown in as well! This visual highlights views from the NASA/ESA/CSA James Webb Space Telescope of the protoplanetary discs Tau 042021 (left) and Oph 163131 (right), otherwise known by the catalogue numbers 2MASS J04202144+2813491 and 2MASS J16313124-2426281, respectively. Tau 042021 is situated around 450 light-years from Earth in the constellation Taurus, while Oph 163131 lies about 480 light-years away in Ophiuchus. Protoplanetary discs like these appear around stars that have recently been born. When a clump of gas inside a larger molecular cloud collapses to form a star, unused gas and dust is left orbiting the star in a thick disc. Over time, this dust too collides and collapses, slowly forming planetesimals which can, in turn, develop into planets. The planetesimals which can’t make the jump to being a fully-fledged planet are left behind as asteroids and comets orbiting the star. Gas that isn’t consumed by this process is blown away by the new star’s radiation over the course of tens of millions of years, ending the protoplanetary disc. This is how our own Solar System formed in the distant past, creating the asteroids, comets, gas giants and terrestrial planets we know today. By observing other protoplanetary discs at a much earlier age, we can work out how this process worked for our own Solar System, and how the different kinds of planets we see across the galaxy could have formed. The unique feature these two objects have in common is that, as we see them from our vantage point with Webb, they are oriented with the edge of the disc facing us. This means that the bright light from the young star in the centre is mostly blocked, and we see the fine dust that has risen out of the disc as a nebula above and below the disc, lit by reflected light from the star. Not only is this a beautiful sight, producing these images that resemble rainbow-coloured spinning tops in space, it’s essential for studying how these planet-forming discs are composed. The distribution of dust in the disc, both within it and above or below it, strongly affects where and how planets can form. These images were created using data from Webb’s NIRCam and MIRI instruments, as part of Webb programme #2562 (PI F. Ménard, K. Stapelfeldt). With the broad infrared sensitivity of these two cameras, Webb can track dust grains of different sizes across the disc. The red, orange and green colours of the discs in these images indicate various sizes of dust grains as well as molecules such as hydrogen (H2), carbon monoxide (CO) and polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs). Both images also feature data from the NASA/ESA Hubble Space Telescope, which shows visible light, mainly from the central star reflected off the fine, floating dust. The image of Oph 163131 also includes observations from the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA). Where Hubble and Webb each image tiny dust grains only micrometres across, ALMA sees larger dust grains that are about a milimetre in size, which are concentrated in the central plane of the disc. This can create the right conditions for the grains to continue to grow and potentially form planets. Indeed, the ALMA data for Oph 163131 shows a gap in the inner disc, which may already be evidence of a planet forming and clearing out the dust around it. [Image Description: Two images of protoplanetary discs side-by-side. The left image shows a dark horizontal band covering the star, with broad, colourful, conical outflows above and below it, and a narrow jet pointing directly up and down from the star. The right image shows the star within a yellow dusty disc, with scattered dust creating purple lobes above and below the disc. Each is on a black background with several galaxies or stars around it.] Links Wide view of Oph 163131 Annotated close-up of Oph 163131 Image of Tau 042021 Image on ESA website Science paper (G. Duchêne et al.) Science paper (M. Villenave et al.) Science paper (M. Villenave et al.)

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Due trottole che ruotano ad alta velocità nel cosmo. Appaiono così i protagonisti delle recenti osservazioni del James Webb, due dischi protoplanetari conosciuti come Tau 042021 (a sinistra nell’immagine in alto) e Oph 163131 (a destra). Il primo disco si trova a circa 450 anni luce da noi nella costellazione del Toro ed è mille volte più grande della distanza tra la Terra e il Sole; il secondo si trova a circa 480 anni luce nella costellazione di Ofiuco e si estende per circa 66 miliardi di chilometri di diametro, diverse volte più ampio del nostro Sistema Solare.

Il telescopio spaziale ha immortalato lo spettacolo delle due turbolenti ciambelle di gas e polvere che avvolgono le due giovani stelle situate al centro dei due dischi protoplanetari e la cui emissione luminosa viene bloccata e riflessa dalla polvere.
I dischi protoplanetari sono, infatti, strutture polverose che si originano attorno a stelle nate di recente e da cui possono nascere i pianeti di un sistema stellare.

Quando un ammasso di gas all’interno di una nube molecolare più grande collassa per formare una stella, il gas e la polvere non utilizzati rimangono in orbita attorno alla nuova stella sotto forma di un disco spesso. Questa polvere verrà poi dispersa dalla intensa radiazione stellare, ma prima che ciò accada esiste la possibilità che un po’ di essa si aggreghi e cresca fino a diventare prima piccole rocce, poi planetesimi e infine pianeti.

Osservare dischi protoplanetari in una fase molto precoce, come quelli di Tau 042021 e Oph 163131, ci permette quindi di capire il processo con cui queste strutture polverose generano i pianeti, fornendo allo stesso tempo informazioni su come abbia preso forma anche il nostro Sistema Solare.

Le immagini di Webb di Tau 042021 e Oph 163131 sono da questo punto di vista fondamentali in quanto i due protagonisti sono orientati con il bordo del disco rivolto verso di noi: stiamo osservando la sezione centrale di queste trottole cosmiche, e non la punta o il cappuccio superiore. Questa particolare prospettiva fa sì che la luce intensa emessa dalla giovane stella al centro del disco sia in gran parte bloccata dalla polvere che le sta attorno. Lo spettacolo di luci è, infatti, generato dalla polvere fine che si solleva dal disco sopra e sotto di esso e che riflette la luce emessa dalla stella. Lo scenario immortalato da Webb ci mostra così la distribuzione della polvere, fattore da cui dipende fortemente dove e come i pianeti potranno eventualmente formarsi.

La grande sensibilità all’infrarosso delle due camere NirCam e Miri di Webb permette, inoltre, di tracciare i granelli di polvere all’interno del disco in base alla loro dimensione.
I colori rosso, arancione e verde con cui diverse regioni dei dischi risaltano in queste immagini indicano, infatti, le varie dimensioni dei granelli di polvere, oltre alla presenza di molecole come idrogeno (H₂), monossido di carbonio (CO) e idrocarburi policiclici aromatici (PAH).

Per mostrare lo spettacolo delle trottole planetarie sono stati utilizzati anche dati forniti dal telescopio spaziale Hubble, che mostra la luce visibile, principalmente proveniente dalla stella centrale e riflessa dalla polvere fine sospesa. Nel caso dell’immagine di Oph 163131 sono incluse anche osservazioni di Alma.

Immagine in evidenza: le due immagini dei dischi protoplanetari affiancate. L’immagine a sinistra mostra Tau 042021 evidenziando una banda orizzontale scura che copre la giovane stella, con ampie strutture coniche colorate sopra e sotto e un getto stretto che punta verticalmente dalla stella. L’immagine a destra mostra la stella all’interno del disco polveroso Oph 163131, che si mostra in giallo, con polvere diffusa che crea lobi viola sopra e sotto il disco. Crediti: Esa/Webb, Nasa, Csa, Esa/Hubble, Alma (Eso/Naoj/Nrao), G. Duchêne, M. Villenave.

Giuseppe Nucera: Comunicatore scientifico e Multimedia producer. Laureato in Sociologia, ho conseguito il Master in Comunicazione della Scienza e dell'Innovazione Sostenibile dell'Università Milano-Bicocca. Dal 2012 collaboro con diverse agenzie editoriali e pubbliche per comunicare online ricerche e progetti scientifici.