ALMA animatie toont daadwerkelijke beweging van twee jonge sterren om elkaar

Impressie van XZ Tauri A en B en hun protoplanetaire schijven.
Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO).

Animaties van sterren die om elkaar heen draaien zijn er genoeg, computergestuurde beelden op grond van theoretische modellen. Maar wat ze met de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) in Chili hebben gedaan is van een andere orde én uniek. Want de animatie die ze hebben gemaakt op basis van de gegevens van ALMA toont de ware beweging van twee om elkaar draaiende sterren, geen theoretische beweging. Het gaat om het jonge dubbelstersysteem XZ Tauri (460 lichtjaar van ons vandaan), welke drie jaar met ALMA is gevolgd, in 2015, 2016 en 2017. De sterren staan zo’n zes miljard km van elkaar vandaan, pakweg de afstand zon-Pluto. In die periode bewoog XZ Tau B 3,4 astronomische eenheid (1 AE is de afstand aarde-zon, 149 miljoen km) om XZ Tau A. Sterrenkundigen wisten een driedimensionaal beeld te krijgen van de hoek waaronder wij tegen de sterren aankijken. Beide jonge sterren zijn omgeven door een protoplanetaire schijf van gas en stof, het restant van de wolk waaruit ze ontstaan zijn. De waarnemingen met ALMA laten zien dat de twee schijven niet evenwijdig zijn, maar een hoek met elkaar maken. Ook is het baanvlak van de twee sterren om elkaar anders dan het vlak van de twee schijven. Hieronder de animatie waarin je de ware beweging ziet van XZ Tau B en XZ Tau A om elkaar heen. In de animatie is de beweging van XZ Tau stilgezet om die van XZ Tau B beter te laten zien. Radiogolven van de protoplanetaire schijven zijn grijs weergegeven.

Dubbelklikken voor de animatie. Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), T. Ichikawa et al.

Het is dankzij dit soort waarnemingen dat sterrenkundigen meer te weten komen over het ontstaan en evolutie van dubbelstersystemen. Men denkt dat twee sterren van XZ Tau ontstaan zijn door de fragmentatie van een moleculaire wolk. Zouden de sterren uit een grote gasschijf ontstaan zijn – dat is het andere theoretische model – dan zou dat meer hebben geleidt tot baanvlakken van sterren en protoplanetaire schijven die evenwijdig lopen. Hier het vakartikel over het onderzoek aan XZ Tauri, verschenen in the Astrophysical Journal. Bron: NAOJ.

ALMA en Hubble zien zware sterrenstelsels in het vroege heelal met een lege ‘brandstoftank’

De cluster MACSJ 0138 met daarom heen zwaartekrachtlezen. In die lenzen is één van de zes onderzochte stelsels te zien, de rode stip. Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/S. Dagnello (NRAO), STScI, K. Whitaker et al

Ze worden in het Engels ‘quenched galaxies’ genoemd, sterrenstelsels die gestopt zijn met stervorming doordat ze niet beschikken over grote hoeveelheden koud waterstofgas, dé brandstof voor stervorming. Het vreemde is dat ze in het kader van het zogeheten REsolving QUIEscent Magnified galaxies at high redshift (REQUIEM) programma met de ALMA radiotelescoop in Chili én de Hubble ruimtetelescoop zes van die sterrenstelsels met een lege brandstoftank hebben ontdekt in het vroege heelal, zo’n drie miljard jaar na de oerknal. Dat is vreemd omdat je juist in dat vroege heelal heel veel brandstof verwacht, koud waterstofgas. Normaal gesproken zouden zelfs ALMA en Hubble de zes stelsels niet in detail hebben kunnen zien, maar dankzij de werking van tussen de aarde en de zes stelsels liggende clusters van sterrenstelsels die zorgden voor zwaartekrachtslenzen, kon men in de zes stelsels zien hoeveel de voorraad waterstof was. En die bleek er niet te zijn – de zes ‘dode’ sterrenstelsels hadden een lege brandstoftank.

Twee andere clusters van sterrenstelsels met in dhun zwaartekrachtlenzen enkele “quenched galaxies”. Credits: Image Processing: Joseph DePasquale (STScI)

Het kan zijn dat de stelsels geen toevoer meer hebben van ‘primordiaal’ waterstof, dat is waterstof uit de vroegste periode van het heelal. Maar wellicht dat superzware zwarte gaten in de centra van de stelsels verantwoordelijk zijn, doordat ze veel energie uitstralen en er voor zorgen dat het waterstof te heet is om sterren te vormen (juist koud waterstofgas is dé brandstof voor stervorming). Dat zorgt er dus voor de de brandstoftank met koude waterstof leeg blijft. De vraag is wel hoe het komt dat de stelsels in de eerste miljard jaar van hun bestaan pakweg 100 miljard sterren konden vormen en dat die stervorming plotseling stokte. En waarom bij hun wel en bij andere stelsels niet? Toekomstig onderzoek moet daar antwoord op geven. In Nature werd er een vakartikel aan gewijd. Bron: NASA + NRAO.

In stof gehulde sterrenstelsels uit de tijd van de kosmische dageraad ontmaskerd

 Artist’s impression van een van de nieuw ontdekte diep in het stop verborgen sterrenstelsels. Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), NASA/ESA Hubble Space Telescope.

Astronomen hebben bij toeval twee in dik stof verscholen sterrenstelsels ontdekt die zijn ontstaan in de tijd dat het heelal nog maar 5% van zijn huidige leeftijd had. Het internationale team, met een aantal Leidse astronomen, onderzocht de gegevens van jonge, verre sterrenstelsels die met de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) zijn waargenomen. Ze zagen onverwachte emissies uit schijnbaar lege gebieden in de ruimte. Nader onderzoek bevestigde dat deze afkomstig zijn van twee tot nu toe onontdekte sterrenstelsels, verborgen in een dikke laag kosmisch stof. Deze ontdekking suggereert dat er nog meer van dit soort sterrenstelsels in het vroege heelal verborgen zitten. Het onderzoeksresultaat wordt deze week gepubliceerd in Nature.

Als astronomen diep in de nachtelijke hemel turen, zien ze hoe het heelal er lang geleden uitzag. Doordat de snelheid van het licht eindig is, kunnen ze door de verste sterrenstelsels te bestuderen miljarden jaren in het verleden kijken, toen het heelal nog heel jong was en sterrenstelsels pas net sterren begonnen te vormen. De bestudering van dit vroege heelal is een grote uitdaging in de astronomie en is van essentieel belang voor de ontwikkeling van nauwkeurige en consistente astrofysische modellen. Een belangrijk doel van de wetenschappers is alle sterrenstelsels in de eerste miljard jaar van de kosmische geschiedenis te identificeren en de snelheid te meten waarmee zij groeiden door de vorming van nieuwe sterren.

In de afgelopen decennia zijn diverse pogingen ondernomen om verre sterrenstelsels waar te nemen die worden gekenmerkt door elektromagnetische straling die sterk roodverschoven (verschoven naar langere golflengten) is voordat hij de aarde bereikt. Tot nu toe is de kennis van vroege sterrenstelsels vooral gebaseerd op waarnemingen met de Hubble-ruimtetelescoop, die hun ultraviolette (UV) emissie onderzoekt.

Recentelijk zijn astronomen ook begonnen met de bestudering van verre sterrenstelsels op submillimetergolflengten met behulp van de ALMA-telescoop in het noorden van Chili. Met name de ‘stoffige’ sterrenstelsels kunnen met ALMA worden bestudeerd die Hubble over het hoofd ziet omdat het stof de UV-emissie absorbeert. Aangezien ALMA op submillimetergolflengten waarneemt, kan het deze sterrenstelsels wel detecteren.

Een schematische weergave van de resultaten. Op de nabij-infraroodopname van de Hubble-ruimtetelescoop (links) is iets onder het centrum een sterrenstelsel te zien. Dit is een typisch jong sterrenstelsel, zoals te zien is op de artist’s impression rechtsonder. ALMA heeft een tot nu toe onontdekt sterrenstelsel onthuld, dat diep in het stof begraven ligt (artist’s impression rechtsboven) in een gebied waar de Hubble-ruimtetelescoop niets kon zien. Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), NASA/ESA Hubble Space Telescope.

In een groot programma dat REBELS (Reionization-Era Bright Emission Line Survey) heet, gebruiken astronomen ALMA om de emissies van 40 sterrenstelsels waar te nemen uit de tijd van de kosmische dageraad. REBELS wordt geleid door de Leidse astronoom Rychard Bouwens (zie https://www.astronomie.nl/nieuws/rychard-bouwens-krijgt-groot-onderzoeksprogramma-op-alma-telescoop-1392?month=7). Bij de analyse van deze dataset merkten de astronomen sterke emissies op van stof en enkelvoudig geïoniseerde koolstof op posities die ver verwijderd waren van de oorspronkelijke doelstelsels. Tot hun verbazing konden zeer gevoelige instrumenten zoals Hubble en de Japanse Subaru-telescoop geen UV-emissie op deze locaties detecteren. Om deze mysterieuze signalen te begrijpen, hebben ze de zaak verder onderzocht.

In het artikel dat deze week wordt gepubliceerd in Nature, presenteren zij een grondige analyse waaruit blijkt dat deze onverwachte emissies afkomstig zijn van twee voorheen onbekende sterrenstelsels die zich in de buurt van de twee oorspronkelijke REBELS-doelen bevinden. Deze sterrenstelsels zijn niet zichtbaar in het UV of in zichtbaar licht doordat ze bijna volledig aan het zicht worden onttrokken door kosmisch stof.  Een van deze sterrenstelsels is het verste door stof verduisterde sterrenstelsel dat tot nu toe is ontdekt. “Deze vondst laat zien wat de kracht is van grote programma’s zoals REBELS,” aldus Bouwens.

Het meest verrassende aan deze toevalstreffer (serendipity in het Engels) is dat de nieuw ontdekte sterrenstelsels, die meer dan 13 miljard jaar geleden zijn gevormd, helemaal niet vreemd zijn in vergelijking met typische sterrenstelsels uit dezelfde periode. “Deze nieuwe sterrenstelsels werden niet gemist doordat ze extreem zeldzaam zijn, maar alleen doordat ze volledig in stof zijn gehuld,” legt coauteur Sander Schouws (PhD-student aan de Sterrewacht Leiden) uit. Het is echter ongebruikelijk om zulke stoffige sterrenstelsels te vinden in deze periode van het heelal (minder dan 1 miljard jaar na de oerknal), wat suggereert dat de huidige telling van de vroege sterrenstelsels hoogstwaarschijnlijk onvolledig is, en vraagt om nieuwe, diepere surveys. “Het is zelfs mogelijk dat we tot nu toe één op de vijf sterrenstelsels in het vroege heelal hebben gemist”, voegt Schouws toe.

De onderzoekers verwachten dat de nieuwe mogelijkheden van de James Webb Space Telescope (JWST) en de sterke synergie met ALMA in de komende jaren tot aanzienlijke vooruitgang op dit gebied zullen leiden. Eerste auteur Yoshinobu Fudamoto (Waseda Universiteit/NAOJ, Japan): “Het vervolledigen van onze telling van vroege sterrenstelsels met de momenteel ontbrekende door stof bedekte sterrenstelsels, zoals die nu zijn gevonden, is een van de belangrijkste doelstellingen van JWST- en ALMA-surveys in de nabije toekomst.” Bron: Astronomie.nl.

ALMA ziet planeten ontstaan in een koolstofrijke, organische omgeving

Protoplanetaire schijf rondom de ster HD 163296, gefotografeerd met ALMA. Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/D. Berry (NRAO), K. Öberg et al (MAPS)

Een internationaal team van sterrenkundigen is er in geslaagd om met behulp van de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) in Chili de chemische samenstelling van vijf protoplanetaire schijven rondom nabije jonge sterren gedetailleerd in beeld te krijgen. Dankzij het zogeheten MAPS (Molecules with ALMA at Planet-forming Scales) programma wist men de moleculaire compositie van planeten in wording in die schijven vast te leggen. Het gaat om schijven rondom de sterren IM Lup, GM Aur, AS 209, HD 163296 en MWC 480, waar men eerder al ontdekte dat zich in die schijven planeten aan het vormen zijn. Met ALMA kon men goed zien dat de schijven ware fabrieken zijn van nitrilen, dat zijn organische moleculen zoals de eenvoudige moleculen HCN, C2H en H2CO, maar ook de meer complexe moleculen HC3N, CH3CN en c-C3H2. Met name in de binnenste delen van de protoplanetaire schijven, waar de rotsachtige planeten ontstaan, vond men deze moleculen. Bij ons hebben deze moleculen aan de basis gestaan van de vorming van leven op aarde. De MAPS-onderzoekers denken dat ook in de protoplanetaire schijven bij de vijf waargenomen sterren de aanwezige koolstrofrijke organische moleculen een basis kunnen vormen voor het ontstaan van leven.

Verspreiding van verschillende soorten moleculen rondom de sterren AS 209 en HD 163296. Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Cataldi et al./Aikawa et al.

Hieronder een serie met vakartikelen over het onderzoek aan de protoplanetaire schijven met ALMA.

Molecules with ALMA at Planet-forming Scales (MAPS) I: Program overview and highlights, K. Öberg et al, ApJS, preview [arxiv.org/pdf/2109.06268.pdf]

Molecules with ALMA at Planet-forming Scales (MAPS) III: Characteristics of radial chemical substructures, C. Law et al, ApJS, preview [arxiv.org/pdf/2109.06210.pdf]

Molecules with ALMA at Planet-forming Scales (MAPS). IV: Emission Surfaces and Vertical Distribution of Molecules, C. Law, ApJS, preview [arxiv.org/pdf/2109.06217.pdf]

Molecules with ALMA at Planet-forming Scales (MAPS) VI: Distribution of the small organics HCN, C2H, and H2CO, V. Guzmán et al, ApJS, preview [arxiv.org/pdf/2109.06391.pdf]

Molecules with ALMA at Planet-forming Scales (MAPS) VII: Substellar O/H and C/H and superstellar C/O in planet-feeding gas, A. Bosman et al, ApJS, preview [arxiv.org/pdf/2109.06221.pdf]

Molecules with ALMA at Planet-forming Scales (MAPS) IX: Distribution and properties of the large organic molecules HC3N, CH3CN, and c-C3H2, J. Ilee et al, ApJS, preview [arxiv.org/pdf/2109.06319.pdf]

Bron: Phys.org.

Planetair onderzoekers maken nieuwe hoge-resolutie temperatuurkaart voor ‘heavy-metal’ asteroïde 16 Psyche

16 Psyche is een asteroïde die in 1852 werd ontdekt door de Italiaanse astronoom Annibale de Gasparis. Vernoemd naar de Griekse godin van de ziel, Psyche, is 16 Psyche in tegenstelling tot de meeste andere asteroïden die uit gesteente bestaan, grotendeels uit metaal samengesteld (M-categorie). Wetenschappers van Caltech hebben recent een temperatuurkaart gemaakt die mogelijk meer licht kan werpen op de asteroïde 16 Psyche, die op zo een 180 tot 320 miljoen km van de aarde zwerft. Het wetenschappelijk artikel van het onderzoek werd recent geplaatst in het Planetary Science Journal (PSJ). 16 Psyche draait om de zon in de asteroïdengordel, een donutvormig gebied in de ruimte tussen de aarde en Jupiter dat meer dan een miljoen rotsachtige hemelobjecten bevat die in grootte variëren van 10 meter tot 946 km in diameter. Met een diameter van meer dan 200 km is 16 Psyche de grootste van de M-type asteroïden, een bijzondere klasse van asteroïden waarvan wordt gedacht dat ze metaalrijk zijn en daarom mogelijk fragmenten zijn van de kernen van protoplaneten die uiteenvielen toen ons zonnestelsel zich vormde.

Voorstelling van sonde bij 16 Psyche, credits: NASA/Caltech/UvArizona/P.Rubin

16 Psyche bestaat uit zulke grote hoeveelheden edelmetaal dat er astronomisch veel mee verdiend zou kunnen worden als de rots gemijnd werd. Het was NASA-Psyche wetenschapper professor Lindy Elkins-Tanton die ooit berekende dat alle metalen (Global News 2017en Forbes) in dit hemellichaam mogelijk wel zo’n 10.000 biljard USD waard zouden kunnen zijn, (t.v.  in bv 2017 had het GWP  (bruto wereldproduct) een waarde van zo’n 80 biljoen USD). Een groot mysterie rond 16 Psyche is de oorsprong ervan. Sommige wetenschappers geloven dat de asteroïde deel uitmaakt van een protoplaneet die is gevormd tijdens de vroege dagen van het zonnestelsel. Gedurende die tijd vloeiden planetaire lichamen samen en botsten vervolgens met elkaar. “We denken dat fragmenten van de kernen, mantels en korsten van deze objecten vandaag de dag in de vorm van asteroïden overblijven.,” aldus hoofd-auteur en planeetwetenschapper Katherine de Kleer van Caltech, en vervolgt: “We weten al jaren dat objecten in deze klasse in feite geen massief metaal zijn, maar wat ze zijn en hoe ze zijn gevormd, is nog steeds een raadsel.” De bevindingen versterken alternatieve voorstellen voor de samenstelling van het oppervlak van Psyche, waaronder dat Psyche een primitieve asteroïde zou kunnen zijn die zich dichter bij de zon heeft gevormd dan nu het geval is, in plaats van een kern van een gefragmenteerde protoplaneet. De onderzoekers hebben al ontdekt dat het oppervlak van de asteroïde voor ten minste 30 procent uit metaal bestaat en dat de rotsen op het oppervlak bedekt zijn met metalen korrels. Dit, tezamen met ouder onderzoek en nieuwe informatie die met behulp van de temperatuurkaart wordt ontdekt, zal allemaal belangrijk zijn voor NASA’s geplande missie naar 16 Psyche in 2022. De sonde, uitgerust met o.a. een multispectrale imager, een gammastraal- en neutronenspectrometer, en een magnetometer zal naar verwachting in 2026 bij Psyche aankomen.
16 Psyche credits Gif:Caltech/K. de Kleer, S. Cambioni, M. Shepard. Psyche draait om de zon in de asteroïdengordel, een donutvormig gebied in de ruimte tussen de aarde en Jupiter dat meer dan een miljoen rotsachtige lichamen bevat die in grootte variëren van 10 meter tot 946 km in diameter. De Kleer en mede-onderzoekers Michael Shepard en Saverio Cambioni gebruikte data van de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) in Chili, De reeks van 66 radiotelescopen stelde het team in staat om de thermische emissies van het hele oppervlak van Psyche in kaart te brengen met een resolutie van 30 km (waarbij elke pixel 30 km bij 30 km is) en een afbeelding van de asteroïde te genereren die uit ongeveer 50 pixels bestaat. Credits; Caltech/NASA

Astronomen doen de eerste duidelijke detectie van een maan-vormende schijf rond een exoplaneet

Overzichtsfoto en close-up van een maan-vormende schijf, zoals gezien met ALMA. Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/Benisty et al.

Met behulp van de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), waarin de Europese Zuidelijke Sterrenwacht (ESO) een partner is, hebben astronomen voor het eerst een duidelijke schijf rond een planeet buiten ons zonnestelsel gedetecteerd. De waarnemingen zullen nieuw licht werpen op de vorming van planeten en manen in jonge stersystemen.

‘Ons onderzoek heeft geresulteerd in een duidelijke detectie van een schijf waarin zich manen zouden kunnen vormen’, zegt Myriam Benisty, onderzoeker aan de Universiteit van Grenoble, Frankrijk, en aan de Universiteit van Chili, die leiding gaf aan het nieuwe onderzoek dat vandaag in The Astrophysical Journal Letters is gepubliceerd. ‘Onze ALMA-waarnemingen werden verkregen met zo’n voortreffelijke resolutie, dat we duidelijk konden vaststellen dat de schijf bij de planeet hoort en dat we ook de omvang ervan hebben kunnen schatten’, voegt ze eraan toe.

Het stelsel van PDS 70, zoals gezien met ALMA. Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/Benisty et al.

De schijf in kwestie, een zogeheten circumplanetaire schijf, omringt de exoplaneet PDS 70c, een van de twee reusachtige, Jupiter-achtige planeten die om een ster op bijna 400 lichtjaar afstand draaien. Astronomen hadden al eerder aanwijzingen gevonden voor het bestaan van een ‘maan-vormende’ schijf rond deze exoplaneet, maar omdat ze de schijf niet duidelijk konden onderscheiden van zijn omgeving, konden ze de detectie ervan niet bevestigen – tot nu toe dan.

Daarnaast hebben Benisty en haar team met behulp van ALMA ontdekt dat de diameter van de schijf ongeveer gelijk is aan de afstand van onze zon tot de aarde. De schijf bevat genoeg massa om drie satellieten ter grootte van onze maan te vormen.

Maan-vormende schijf rond de exoplaneet PDS 70c, zoals gezien met ALMA. Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/Benisty et al.

Maar de resultaten zijn niet alleen van belang om erachter te komen hoe manen ontstaan. ‘Deze nieuwe waarnemingen zijn ook uiterst belangrijk om theorieën over planeetvorming te bewijzen die tot nu toe niet konden worden getoetst’, zegt Jaehan Bae, onderzoeker van het Earth and Planets Laboratory van de Carnegie Institution for Science, VS, en auteur van het onderzoek.

Planeten vormen zich in de stoffige schijven rond jonge sterren. Tijdens hun ‘groei’ veroorzaken ze holtes in de circumstellaire schijf doordat ze materiaal opslokken. Tijdens dit proces kan een planeet zijn eigen circumplanetaire schijf ontwikkelen, die bijdraagt ??aan de groei van de planeet door de hoeveelheid materiaal die erop valt te reguleren. Tegelijkertijd kunnen het gas en stof in de cirkelvormige schijf samenklonteren tot steeds grotere brokstukken, wat uiteindelijk tot de vorming van manen leidt.

De dwergster PDS 70 in het sterrenbeeld Centaurus. Credit: ESO, IAU and Sky & Telescope

Maar astronomen begrijpen de details van deze processen nog niet volledig. ‘Kortom, het is nog steeds onduidelijk wanneer, waar en hoe planeten en manen ontstaan’, aldus ESO Research Fellow Stefano Facchini, die ook bij het onderzoek betrokken was.

‘Er zijn tot nu toe meer dan 4000 exoplaneten ontdekt, maar die maken allemaal deel uit van volwassen planetenstelsels. PDS 70b en PDS 70c, die een stelsel vormen dat aan het duo Jupiter en Saturnus doen denken, zijn de enige twee tot nu toe gedetecteerde exoplaneten die nog in aanbouw zijn’, zegt Miriam Keppler, onderzoeker aan het Max-Planck-Institut für Astronomie in Duitsland en een van de co-auteurs van het onderzoek.

‘Dit stelsel biedt ons daarom een unieke kans om de processen van planeet- en maanvorming te observeren en te bestuderen’, voegt Facchini daaraan toe.

PDS 70b en PDS 70c, de twee planeten die het stelsel vormen, werden in respectievelijk 2018 en 2019 ontdekt met behulp van ESO’s Very Large Telescope (VLT), en vanwege hun unieke karakter zijn ze sindsdien vele malen met andere telescopen en instrumenten waargenomen [1]PDS 70b is ontdekt met behulp van het Spectro-Polarimetric High-contrast Exoplanet REsearch (SPHERE)-instrument, terwijl PDS 70c is opgespoord met de Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) van de … Continue reading.

Dankzij de nieuwste ALMA-waarnemingen met hoge resolutie hebben astronomen nu meer inzicht in het systeem gekregen. Daarbij konden ze niet alleen het bestaan van de circumplanetaire schijf rond PDS 70c bevestigen, en zijn omvang en massa bepalen, maar ontdekten ze ook dat PDS 70b geen duidelijke sporen van zo’n schijf vertoont. Dat wijst erop dat al het stof in zijn omgeving is opgemaakt door buurplaneet PDS 70c.

Een nog beter beeld van het planetenstelsel zal worden verkregen met ESO’s Extremely Large Telescope (ELT), die momenteel in aanbouw is op Cerro Armazones in de Chileense Atacama-woestijn. ‘De ELT zal van groot belang zijn voor dit onderzoek, omdat we met zijn veel hogere resolutie in staat zullen zijn om het stelsel tot in detail in kaart te brengen’, zegt co-auteur Richard Teague, een onderzoeker bij het Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian, VS. Met name door gebruik te maken van de ELT’s Mid-infrared ELT Imager and Spectrograph (METIS), zal het team de gasbewegingen rond PDS 70c in kaart kunnen brengen om zo een volledig 3D-beeld van het stelsel te krijgen. Bron: ESO.

References[+]

References
1 PDS 70b is ontdekt met behulp van het Spectro-Polarimetric High-contrast Exoplanet REsearch (SPHERE)-instrument, terwijl PDS 70c is opgespoord met de Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) van de VLT. Het uit twee planeten bestaande stelsel is ook onderzocht met behulp van het X-shooter-instrument, dat tevens op ESO’s VLT is geïnstalleerd.

Galactisch vuurwerk: nieuwe ESO-opnamen tonen prachtige kenmerken van nabije sterrenstelsels

Vijf sterrenstelsels op verschillende golflengten, zoals waargenomen met het MUSE-instrument van ESO’s VLT. Credit: ESO/PHANGS

Een team van astronomen heeft nieuwe waarnemingen gepresenteerd van nabije sterrenstelsels die op kleurrijk kosmisch vuurwerk lijken. De opnamen, verkregen met de Very Large Telescope (VLT) van de Europese Zuidelijke Sterrenwacht (ESO), tonen verschillende componenten van de sterrenstelsels in afzonderlijke kleuren, wat astronomen in staat stelt om de locaties van jonge sterren en het warme gas om hen heen te lokaliseren. Door deze nieuwe waarnemingen te combineren met gegevens van de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), waar ESO een van de partners van is, helpt het team nieuw licht te werpen op wat gas ertoe aanzet om sterren te vormen.

Astronomen weten dat sterren worden geboren in wolken van gas, maar wat de stervorming in gang zet, en welke rol sterrenstelsels als geheel daarbij spelen, blijft een raadsel. Om dit proces te begrijpen, heeft een onderzoeksteam diverse nabije sterrenstelsels waargenomen met krachtige telescopen op de grond en in de ruimte, om daarin de verschillende gebieden op te sporen die bij de geboorte van nieuwe sterren betrokken zijn.

NGC 4303 op verschillende golflengten, zoals waargenomen met het MUSE-instrument van ESO’s VLT. Credit: ESO/PHANGS

‘Voor het eerst kunnen we afzonderlijke kernen van stervorming over een breed scala aan locaties en omgevingen analyseren in een steekproef die representatief is voor de verschillende soorten sterrenstelsels,’ zegt Eric Emsellem, ESO-astronoom in Duitsland en hoofd van de VLT-waarnemingen die zijn gedaan in het kader van het Physics at High Angular resolution in Nearby GalaxieS (PHANGS)-project. ‘We kunnen het gas dat tot de geboorte van sterren leidt rechtstreeks waarnemen, we zien de jonge sterren zelf en we zijn getuige van de verschillende levensfasen die zij doorlopen.’

Emsellem, die tevens verbonden is aan de Universiteit van Lyon, Frankrijk, en zijn team hebben nu hun meest recente galactische scans gepresenteerd, zoals die zijn gedaan met het Multi-Unit Spectroscopic Explorer (MUSE)-instrument van ESO’s VLT in de Atacama-woestijn in Chili. Ze gebruikten MUSE om pasgeboren sterren en het omringende gas op te sporen, dat door de sterren wordt verlicht en verwarmd, en als een indicator van actieve stervorming fungeert.

NGC 1087 op verschillende golflengten, zoals waargenomen met het MUSE-instrument van ESO’s VLT. Credit: ESO/PHANGS

De nieuwe MUSE-opnamen worden nu gecombineerd met waarnemingen van dezelfde sterrenstelsels die met ALMA zijn gedaan en eerder dit jaar zijn vrijgegeven. ALMA, die ook in Chili staat, is bijzonder geschikt om koude gaswolken in kaart te brengen – de delen van sterrenstelsels die de grondstof leveren waaruit sterren ontstaan.

Door de MUSE- en ALMA-opnamen met elkaar te combineren, kunnen astronomen de galactische gebieden onderzoeken waar stervorming plaatsvindt, vergeleken met waar deze naar verwachting zou plaatsvinden, om zo beter te begrijpen wat de aanzet geeft tot de geboorte van nieuwe sterren, en wat deze juist stimuleert of afremt. De resulterende opnamen zijn verbluffend mooi, en geven een spectaculair kleurrijk kijkje in de stellaire kraamkamers van naburige sterrenstelsels.

‘Er zijn nog veel raadsels die we willen oplossen,’ zegt co-auteur Kathryn Kreckel van de Universiteit van Heidelberg in Duitsland. ‘Worden sterren vaker geboren in specifieke delen van hun moederstelsels en zo ja, waarom? En hoe beïnvloedt de evolutie van pasgeboren sterren de vorming van volgende generaties van sterren?’

NGC 1300 op verschillende golflengten, zoals waargenomen met het MUSE-instrument van ESO’s VLT. Credit: ESO/PHANGS.

Dankzij de schat aan gegevens van MUSE en ALMA die het PHANGS-team heeft verzameld zullen astronomen deze vragen nu kunnen beantwoorden. MUSE verzamelt spectra – de ‘streepjescodes’ die astronomen scannen om de eigenschappen van kosmische objecten te onthullen – voor elke plek in zijn beeldveld, en levert daardoor veel rijkere informatie dan traditionele instrumenten. Voor het PHANGS-project heeft MUSE 30.000 nevels van warm gas waargenomen en ongeveer 15 miljoen spectra van uiteenlopende galactische gebieden verzameld. De ALMA-waarnemingen hebben astronomen juist in staat gesteld om ongeveer 100.000 gebieden van koud gas in 90 nabije sterrenstelsels in kaart te brengen, wat een ongekend detailrijke atlas van stellaire kraamkamers in het nabije heelal heeft opgeleverd.

Daarnaast maakt het PHANGS-project ook gebruik van waarnemingen met de Hubble-ruimtetelescoop van NASA en ESA. De verschillende sterrenwachten waren zo geselecteerd dat het team onze galactische buren op verschillende golflengten (zichtbaar, nabij-infrarood en radio) nauwkeurig konden onderzoeken, waarbij elk golflengtegebied specifieke delen van de waargenomen sterrenstelsels ontsluierde. ‘Deze combinatie stelt ons in staat om de verschillende stadia van de stergeboorte – van de vorming van de stellaire kraamkamers tot de aanvang van de eigenlijke stervorming en de uiteindelijke verwoesting van de kraamkamers door de pasgeboren sterren – in meer detail te onderzoeken dan met afzonderlijke waarnemingen mogelijk is,’ zegt co-auteur Francesco Belfiore van INAF-Arcetri in Firenze, Italië. ‘PHANGS biedt ons voor het eerst de mogelijkheid om zo’n compleet beeld van het stervormingsproces te verkrijgen, en opnamen te maken die scherp genoeg zijn om de afzonderlijke wolken, sterren en nevels te bekijken die indicatief zijn voor stervorming.’

De resultaten van het PHANGS-project zullen verder worden aangescherpt door toekomstige telescopen en instrumenten, zoals NASA’s James Webb Space Telescope. De gegevens die op deze manier worden verkregen, zullen een stevigere basis vormen voor de waarnemingen die met ESO’s toekomstige Extremely Large Telescope (ELT) zullen worden gedaan. Deze telescoop zal later dit decennium in bedrijf komen en een nog detailrijker beeld kunnen geven van de structuren van stellaire kraamkamers.

‘Hoe verbazingwekkend PHANGS ook is, de resolutie van de kaarten die we produceren is net voldoende om afzonderlijke stervormende wolken te herkennen en te scheiden, maar niet goed genoeg om in detail te zien wat daarbinnen gebeurt’, aldus Eva Schinnerer, leider van een onderzoeksteam aan het Max-Planck-Institut für Astronomie in Duitsland en hoofdonderzoeker van het PHANGS-project, in het kader waarvan de nieuwe waarnemingen werden uitgevoerd. ‘Nieuwe observatie-inspanningen van ons team en anderen verleggen de grens steeds verder, dus we hebben nog tientallen jaren van spannende ontdekkingen voor de boeg.’ Bron: ESO.

Vroegste ‘storm’ van een zwart gat in het heelal waargenomen met ALMA

Impressie van een storm van hete snelbewegende winden door een superzwaar zwart gat veroorzaakt. Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

Sterrenkundigen hebben met behulp van de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) radiotelescoop in Chili een ‘storm’ gezien veroorzaakt door een superzwaar zwart gat, een gigantische uitstoot van hoogenergetische wind. Opmerkelijk: de kosmische storm woedde al 13,1 miljard jaar geleden, dus in het vroege heelal (dat 13,8 miljard jaar oud is). Daarmee is deze storm de vroegste in het heelal ooit waargenomen. Het toont aan dat zo vroeg in het heelal al zeer actieve superzware zwarte gaten aan het werk waren. Takuma Izumi (National Astronomical Observatory of Japan) en z’n team bestudeerden met behulp van de grote Subaru telescoop op Hawaï sterrenstelsels in het vroege heelal en eentje daarvan was HSC J124353.93+010038.5 (hierna J1243+0100), die ze vervolgens verder bestudeerden met ALMA.

Foto van J1243+0100 gemaakt met ALMA. Gas dat met hoge snelheid door het stelsel beweegt is blauw gekleurd. Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Izumi et al.

Het bleek dat J1243+0100 radiostraling uitzendt dat veroorzaakt is door stof en koolstof ionen. Er blijkt een wind van gas met hoge snelheid van wel 500 km/s door het stelsel te razen. Dat gas schuift koel waterstofgas voor zich uit en dat belemmert de verdere stervorming in J1243+0100, dat daardoor stopt met de productie van sterren. Op basis van de snelheid van het gas konden Izumi en z’n collega’s berekenen hoe zwaar het centrale gedeelte van J1243+0100 is: zo’n 30 miljard zonsmassa. De massa van het centrale zwarte gat is ongeveer 1% daarvan, dus 300 miljoen zonsmassa – altijd nog véél zwaarder dan ons superzware zwarte gat in het centrum van de Melkweg, dat 4,3 miljoen zonsmassa op de weegschaal telt. De gevonden verhouding tussen massa van het sterrenstelsel en dat van het centrale zwarte gat in J1243+0100 blijkt overeen te komen met die verhouding in hedendaagse sterrenstelsels, dus in de hele historie van het heelal is die verhouding kennelijk nooit veranderd. Hier het vakartikel over de waarnemingen aan deze vroegste storm in het heelal, te verschijnen op 14 juni in the Astrophysical Journal. Bron: Phys.org.

Stervend superzwaar zwart gat verraadt zich door 3000 lichtjaar lange lichtecho

Twee straalstromen in de kern van Arp 187, waargenomen met VLA en ALMA. Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Ichikawa et al.

In het centrum van vrijwel alle sterrenstelsels bevinden zich superzware zwarte gaten, die miljoenen tot wel miljarden keer zo zwaar als de zon kunnen zijn. Sommige van die molochen van zwarte gat zijn zeer actief, doordat ze gevoed door de toevoer van materie via hun accretieschijf energierijke straling en deeltjes uitzenden. Sterrenkundigen noemen dat ‘active galactic nuclei’ (AGN), zoals we onder andere aantreffen in quasars, sterrenstelsels die door hun centrale AGN compleet overstraald worden. Maar die actieve periode van AGN is niet oneindig, daar komt een einde aan zodra die toevoer van materie stokt. Een groep Japanse sterrenkundigen onder leiding van Kohei Ichikawa (Universiteit van Tohoku) heeft nu een superzwaar zwart gat ontdekt, dat ‘stervende is’, dat wil zeggen die aan het veranderen is van actief in niet-actief. Het betreft het zwarte gat in het sterrenstelsel Arp 187. Met de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) in Chili en de Very Large Array (VLA) in de VS heeft men dat stelsel in radiostraling waargenomen en daarmee zag men twee grote straalstromen, die vanuit het centrum in twee tegenovergestelde bewegingen de ruimte in spuwen.

De kern van Arp 187 in röntgenlicht vertoont géén activiteit, zoals waargenomen door NuSTAR. Credit: Ichikawa et al

Maar wat blijkt: de kern van Arp 187, van waaruit de twee straalstromen ‘ontspringen’, vertoont géén enkele activiteit. Meestal is er vanuit de kern röntgenstraling waarneembaar, maar met NASA’s NuSTAR röntgen-ruimtetelescoop is gekeken naar de kern van Arp 187 en die laat alleen maar stilte zien, zoals te zien aan de afbeelding hierboven. De AGN-activiteit is dus stil. Wat ze wel zien met ALMA en VLA zijn grootschalige geïoniseerde gasgebieden, die oplichten door de straling die 3000 jaar geleden nog door de toen nog actieve AGN werd uitgezonden. Het waarnemen van zo’n AGN-activiteit uit het verleden staat bekend als een lichtecho, iets wat we ook zien bij het bekende Hanny’s Voorwerp. De waarnemingen laten zien dat de kern de afgelopen 3000 jaar meer dan 1000 keer zwakker is geworden. In de illustratie hieronder de verschillen tussen actieve en stervende AGN’s, zoals blijkt uit de waarnemingen van de Japanse groep.

Credit: Ichikawa et al.

Aldus Ichikawa, die de bevindingen van zijn team presenteerde op de 238e bijeenkomst van de American Astronomical Society (AAS), die deze week gaande is. Hier het vakartikel over de waarnemingen aan Arp 187, verschenen in the Astrophysical Journal.

Bron: Eurekalert.

Voor het eerst methanol gevonden in een warme planeetvormende schijf

Een internationaal team van onderzoekers onder leiding van Alice Booth (Universiteit Leiden) heeft methanol-ijs ontdekt in het warme gedeelte van een planeetvormende schijf. Het methanol kan daar niet ontstaan zijn en moet uit de koude gaswolken komen waaruit de ster en de schijf zijn gevormd. Het methanol is dus als het ware overgeërfd. Als dat gemeengoed is, kan daarmee het ontstaan van leven elders een vliegende start krijgen. De onderzoekers publiceren hun bevindingen maandagavond in Nature Astronomy.

Een kaartje van het methanol (wit) in de planeetvormende schijf rond de ster HD 100546. De rode lijn is de baan die de ‘koude’ planeet Neptunus zou hebben als hij rond deze ster zou cirkelen. Het witte methanol bevindt zich dus bijna volledig in het ‘warme’ gedeelte van de planeetvormende schijf. (c) ALMA/Booth et al.

Methanol, CH3OH, is een van de simpelste complexe moleculen. Het molecuul wordt door astronomen gezien als een voorloper van het ontstaan van leven omdat er bijvoorbeeld aminozuren en eiwitten uit gevormd kunnen worden. Onderzoekers hadden eerder al methanol aangetoond in een koude planeetvormende schijf rond een nabije ster, in kometen en in de koude gaswolken waaruit sterren ontstaan. Nu is voor het eerst een groot reservoir methanol ontdekt in een warm gedeelte van een planeetvormende schijf.

Dat reservoir van methanol kan niet in de warme schijf zelf zijn gevormd, omdat dat chemisch onmogelijk is. De onderzoekers vermoeden dan ook dat het methanol-ijs al aanwezig was op de stofdeeltjes in de koude gaswolk waaruit de ster en de schijf zijn ontstaan.

Onderzoeksleider Alice Booth (Universiteit Leiden): “Dit is een erg spannend en onverwacht resultaat. Het is het eerste, waarneembare bewijs dat complexe organische moleculen ‘overgeërfd’ kunnen worden van een miljoenen jaren oudere koude gaswolk naar een jonge, warme schijf waarin planeten aan het ontstaan zijn.”

De ster HD 100546 heeft een grote protoplanetaire schijf. In het koude buitengebied van deze schijf werd in 2013 een mogelijke planeet-in-wording aangetroffen (oranje stip). Het onderzoek van nu gaat over het warmere binnendeel van de schijf. De zwarte vlekjes op de foto zijn artefacten. (c) ESO/NASA/ESA/Ardila et al.

De onderzoekers deden hun waarnemingen aan de planeetvormende schijf rond de veel bestudeerde ster HD 100546. Deze schijf en ster zijn zo’n 10 miljoen jaar oud en bevinden zich op ongeveer 360 lichtjaar van de aarde in de richting van het zuidelijke sterrenbeeld Vlieg.

De onderzoekers gebruikten voor hun waarnemingen de ALMA-telescopen, hoog in de Chileense Andes. De astronomen waren eigenlijk op zoek naar het eenvoudige molecuul zwavelmonoxide, maar ontdekten tot hun verrassing in de gegevensspectra ook methanollijnen.

In de toekomst hopen de onderzoekers meer gegevens te verzamelen zodat de methanollijnen nog scherper worden. Ook gaan ze zoeken naar complexere zuurstofhoudende moleculen zoals dimethylether (C2H6O), methylformiaat (C2H4O2) en aceetaldehyde (C2H4O). Van deze moleculen, die ook in kometen en gaswolken voorkomen, wordt aangenomen dat ze mede aan de basis staan van prebiotisch materiaal.

De onderzoekers willen de hoeveelheden van deze stoffen in de planeetvormende schijf vergelijken met de hoeveelheden in kometen. Zo kunnen ze beter in beeld krijgen welk deel van de organische moleculen overleven tijdens de stervorming. En dat is weer van belang voor een beter begrip van de chemische processen tijdens de vorming van planeten. Immers, ijzige planetoïden zoals kometen zijn de bouwstenen van planeten.

Wetenschappelijk artikel

An inherited complex organic molecule reservoir in a warm planet-hosting disk. By: Alice S. Booth et al. In: Nature Astronomy, 2021. Origineel: https://www.nature.com/articles/s41550-021-01352-w
Gratis preprint: https://arxiv.org/abs/2104.08348

Bron: Astronomie.nl.