Jak vznikají silikátové krystaly pozorované v kometách?

Dlouho zůstávalo záhadou, jak vznikají drobné silikátové (křemičitanové) krystaly, které jsou součástí kometárních jader, a které ke svému vzniku potřebují vysoké teploty, na rozdíl od komet, které vznikly ve chladných oblastech. Vypadá to, že jasno v tomto problému udělala pozorování pomocí Spitzerova teleskopu.

Ledové komety vznikaly za nízkých teplot na okraji vznikajícího planetárního systému (v našem případě sluneční soustavy). S ohledem na fyzikální pochody by tyto silikátové krystalky měly začít jako nekrystalické částice, jako součást "planetární polévky" plynu a prachu, ze které se zformovala naše sluneční soustava. Ale jak se přeměnily?

umělecká představa vzniku protoplanetárního disku

Vypadá to, že záhadu pomohla vyřešit pozorování pomocí Spitzerova teleskopu, který se zaměřil na mladou vyvíjející se Slunci podobnou hvězdu. Ukázalo se, že silikátová zrna jsou transformována na svoji krystalickou formu působením výbuchů či výronů materiálu z mladé hvězdy. Kolem hvězdy byly detekovány stopy silikátových krystalů v prachovo-plynném disku obepínajícím hvězdu EX Lupi (souhvězdí Vlka) během jednoho z četných výbuchů pozorovaném Spitzerovým teleskopem v dubnu 2008. Tyto krystaly nebyly detekovatelné Spitzerem u hvězdy během její "klidné" části periody ranného vývoje hvězdy.

Poprvé tak byl sledován vznik těchto krystalků u nějaké hvězdy. Vypadá to, že krystalky se formují tepelným žíháním malých silikátových zrn v povrchové vrstvě vnitřní části disku v důsledku tepelného působení výbuchů či výronů materiálu z hvězdy. Toto představuje kompletně nový scénář vzniku tohoto materiálu. Žíhání je proces, při kterém je materiál zahřán na určitou teplotu, při kterém se mění některé jeho fyzikální vlastnosti. Je to jedna z možností jak se nekrystalický (amorfní) křemičitanový prach může změnit na krystalickou formu.

Předchozí teorie na vznik krystalické formy křemičitanů v jádrech komet byly poněkud odlišné. První teorií bylo dlouhodobé působení tepelného záření velmi mladých hvězd na silikátová zrna, druhá teorie představovala působení rázové vlny indukované působením většího tělesa v disku, která může zahřát silikátová zrna na teplotu potřebnou ke krystalizaci, a následné rychlé ochlazení těchto částic.

Zkoumaná hvězda EX Lupi je mladá hvězda, pravděpodobně podobná našemu Slunci před čtyřmi až pěti miliardami let. Vždy jednou za několik let u ní dochází k výbuchu či erupci, která má za následek vyvržení materiálu který je soustředěn ve hvězdu obepínajícím disku. Tato vzplanutí mají různou intenzitu s periodou obrovských erupcí jednou za cca padesát let.

EX Lupi byla pozorována pomocí infračerveného spektrografu na Spitzeru v dubnu 2008, ačkoliv ke zjasnění došlo již v lednu 2008. Ale pořád byla přibližně třicetkrát jasnější než v období klidu. Pozorování byla porovnávána s měřeními z roku 2005, čili z období klidu před bouřlivější částí vývoje hvězdy. Změny ve vzhledu spektra byly velice markantní.

umělecká představa vzniku krystalické formy křemičitanů

V roce 2005 se silikátová zrna na povrchu disku obklopujícím hvězdu nacházela v amorfní formě. Spektrum pořízené v roce 2008 ukazuje přítomnost krystalické formy křemičitanů na povrchu amorfního prachu. Jde o krystaly forsteritu, materiálu pozorovaného v kometách a protoplanetárních discích kolem hvězd. Krystaly jsou poněkud teplejší, což ukazuje na skutečnost, že vznikly důsledkem působení vysokých teplot, a ne pomocí působení rázové vlny. Pokud by totiž vznikly působením rázové vlny byly by krystalky chladné.

Během výbuch v lednu 2008 zvýšila hvězda EX Lupi svoji svítivost více než stokrát. Krystaly vznikají na povrchu vnější části disku, ale pouze v takové vzdálenosti od hvězdy, kde se je dostatečně vysoká teplota na proces žíhání silikátových zrnek, přibližně 1000 kelvinů (cca 725 stupňů Celsia), ale nižsí než 1500 Kelvinů (1225 stupňů Celsia). Při vyšší teplotě by se křemičitanová zrnka totiž vypařila. Poloměr oblasti, kde může docházet k žíhání a tudíž přeměně z amorfní na krystalickou formu křemičitanů má přibližně rozměr oblasti terrestrických planet ve sluneční soustavě.

Tato pozorování ukazují, poprvé v historii, vznik křemičitanů v krystalické formě, čili v té dormě jak jsou nalézána v kometách a meteoritech v naší planetární soustavě. Jinak řečeno - to co sledujeme dnes v kometách mohlo vzniknout prostřednictvím opakovaných výbuchů v počátečních stádiích vývoje Slunce.

Zdroj: NASA/Spitzer