Planeten ontstaan vanuit een spontane “stofval”

Een protoplanetaire schijf nadat zich spontaan een stofval heeft gevormd. Gas is blauw en stof is rood. Credit: CRAL

Planeten worden geboren vanuit wervelende schijven van stof en gas rondom pasgeboren sterren. Helaas hebben astronomen veel moeite om te verklaren hoe stofdeeltjes zich uiteindelijk ontwikkelen tot volwaardige planeten. Nu heeft een internationaal team van wetenschappers een oplossing gevonden aan de hand van een groot aantal computersimulaties. Het blijkt namelijk dat binnen een zogenaamde “stofval” de kleine rotsdeeltjes de kans krijgen om samen te klitten tot de bouwstenen van planeten.

De planeten in ons zonnestelsel én in andere planetenstelsels beginnen hun leven als stofdeeltjes rondom een jonge ster. Hoe deze stofdeeltjes samenklitten tot kleine steentjes van een paar centimeter in doorsnede wordt goed begrepen. Het mechanisme waarbij planetaire bouwstenen van kilometers in doorsnede uiteindelijk een complete planeet vormen, wordt eveneens goed begrepen.

Het probleem zit ‘m in de tussenstap: het samenvoegen van kleine steentjes tot gigantische rotsblokken wordt helemaal niet begrepen! Toch zou dit proces heel algemeen moeten zijn, aangezien we inmiddels ruim 3500 planeten buiten het zonnestelsel hebben gevonden.

De crux zit ‘m in het feit dat een stofdeeltje, als gevolg van wrijving met het gas in de schijf, richting de moederster zal vallen. Hierbij zal het stof vernietigd worden en wordt de productie van planeten onmogelijk gemaakt. Daarnaast zullen de groeiende stofkorrels vaak met hoge snelheid op elkaar knallen, waarbij het hele proces van samenklitten weer teniet wordt gedaan.

De enige locatie binnen een planeetvormende schijf waarin deze problemen niet van toepassing zijn, is de zogenaamde stofval. In deze gebieden heeft het stof een bijzonder hoge dichtheid en wordt mede hierdoor afgeremd. Dit maakt het samenklitten tot grotere deeltjes veel gemakkelijker en maakt bovendien de kans op fragmentatie door botsingen veel kleiner.

Voorheen dachten astronomen dat stofvallen alleen onder zeer specifieke omstandigheden konden ontstaan, maar computersimulaties laten een heel ander beeld zien. Volgens de onderzoekers zouden stofvallen heel algemeen moeten zijn en een belangrijke factor vormen in de productie van de meeste, zo niet alle, planeten. Maar hoe werkt zo’n stofval eigenlijk?

Kijk, meestal zullen de stofdeeltjes in beweging gebracht worden door gasdeeltjes. Maar in meer stoffige gebieden zal het omgekeerde gebeuren. De stofdeeltjes “trekken” juist de gasdeeltjes mee! Dit effect wordt met een moeilijk woord “aerodynamic drag back-reaction” genoemd en zorg ervoor dat de inwaartse “migratie” van de stofdeeltjes flink wordt afgeremd. Dit stelt de stofdeeltjes in staat om flink in omvang te groeien.

Uiteindelijk zullen de deeltjes groot genoeg zijn om niet langer beïnvloed te worden door het gas. Als gevolg van deze “back-reaction” zal het gas naar buiten geduwd worden en vervolgens een gebied van hoge dichtheid vormen: de stofval. Deze zal dan spontaan stofdeeltjes gaan “vangen” die afkomstig zijn vanuit de buitendelen van de schijf. Het gevolg is dan een dichte “ring” vol vaste deeltjes, die het proces van planeetvorming een flinke steun in de rug geven.

Bron: Royal Astronomical Society

Steruitbarsting brengt sneeuwgrens van water in beeld

Geplaatst in Nieuws, puin- en stofschijven, sterren | Getagged ALMA, protoplanetaire stofschijven, sneeuwlijn, V883 Orionis | Geef een reactie

Eerste detectie van methanol in een planeet-vormende schijf

Artist’s impression van de schijf rond de jonge ster TW Hydrae. Credit: ESO/M. Kornmesser

Met de Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) is het organische molecuul methanol (methylalcohol) opgespoord in de protoplanetaire schijf rond de ster TW Hydrae. Het is voor het eerst dat deze verbinding in een jonge planeet-vormende schijf is gedetecteerd. Methanol is tot nu toe het enige complexe organische molecuul dat in zo’n schijf is aangetroffen waarvan vaststaat dat het een ijzige voorgeschiedenis heeft. Zijn detectie helpt astronomen om de chemische processen te begrijpen die optreden tijden de vorming van planetenstelsels, en die uiteindelijk leiden tot het ontstaan van de bestanddelen van het leven.De protoplanetaire schijf rond de jonge ster TW Hydrae is, met een afstand van slechts ongeveer 170 lichtjaar, de meest nabije in zijn soort. Dat maakt hem tot een ideaal onderzoeksobject voor astronomen. Dit stelsel lijkt vermoedelijk veel op het zonnestelsel zoals dit er meer dan vier miljard jaar geleden uitzag.

ALMA Chili credits; wikipedia/ESO.

De Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) is op dit moment het krachtigste instrument voor het in kaart brengen van de chemische samenstelling en de verdeling van koud gas in nabije protoplanetaire schijven. Een groep astronomen onder leiding van Catherine Walsh (Sterrewacht Leiden) heeft dit unieke vermogen nu benut om de chemische eigenschappen van de protoplanetaire schijf van TW Hydrae te onderzoeken.Bij de ALMA-waarnemingen heeft zich, voor het eerst in een protoplanetaire schijf, de vingerafdruk van gasvormige methanol (CH3OH) geopenbaard. Methanol – een derivaat van methaan – is een van de grootste complexe organische moleculen die tot op heden in zo’n schijf zijn gedetecteerd. Zijn detectie is van cruciaal belang om te kunnen begrijpen hoe organische moleculen in planeten-in-wording terechtkomen.Methanol staat bekend als ‘bouwsteen’ van complexere prebiotische moleculen, zoals aminozuren. Hierdoor speelt methanol een onmisbare rol bij de totstandkoming van de rijke organische chemische omstandigheden die nodig zijn voor het ontstaan van leven.Catherine Walsh, hoofdauteur van het onderzoek, legt uit: ‘De opsporing van methanol in een protoplanetaire schijf is een bewijs van het unieke vermogen van ALMA om de complexe organische ijsvoorraden in schijven te onderzoeken. Dit stelt ons, voor het eerst, in staat om de complexe chemische omstandigheden in een planetaire kraamkamer rond een jonge zonachtige ster te analyseren.’http://www.eso.org/public/netherlands/videos/eso1619a/Het gasvormige methanol in een protoplanetaire schijf is van cruciaal belang voor de astrochemie. Waar de vorming van de andere molecuulsoorten die in de ruimte zijn gedetecteerd volledig via de gasfase is verlopen, of via een combinatie van zowel gasfase als vaste fase, is methanol een complexe organische verbinding die uitsluitend in ijsvormige toestand is ontstaan, via reacties aan het oppervlak van stofdeeltjes.De scherpe blik van ALMA heeft astronomen ook in staat gesteld om de verdeling van het gasvormige methanol over de schijf van TW Hydrae in kaart te brengen. Daarbij hebben zij een ringvormig patroon ontdekt, evenals een aanzienlijke emissie uit de naaste omgeving van de centrale ster [1]Het patroon in de methanolgegevens die met ALMA zijn verzameld, stemt overeen met een gordel van methanol tussen 30 en 100 astronomische eenheden (AE) van de ster. Deze structuur ondersteunt de … Continue reading.De waarneming van methanol in gasvormige toestand, in combinatie met informatie over zijn verdeling, impliceert dat het methanol is ontstaan op ijzige deeltjes in de schijf en nadien als gas is vrijgekomen. Deze eerste waarneming geeft meer duidelijkheid over het vraagstuk van de fase-overgang van methanolijs- naar -gas [2]Bij dit onderzoek zijn ook andere mechanismen dan thermische desorptie (waarbij methanol vrijkomt bij temperaturen die hoger zijn dan zijn sublimatietemperatuur) door het team overwogen, waaronder … Continue reading, en de chemische processen die zich in astrofysische omgevingen afspelen in het algemeen [3]Het radiale verloop in de chemische samenstelling van het middenvlak van de schijf, en met name de ligging van de verschillende sneeuwlijnen, is cruciaal bij het begrijpen van de chemische … Continue reading.Mede-auteur Ryan A. Loomis voegt daaraan toe: ‘Het gasvormige methanol in de schijf is een ondubbelzinnige indicator van de rijke organische chemische processen die zich al in een vroeg stadium van de vorming van sterren en planeten voltrekken. Dit resultaat is van grote betekenis voor ons begrip van hoe organische materie zich in zeer jonge planetenstelsels ophoopt.’Deze eerste detectie van koude gasvormige methanol in een protoplanetaire schijf betekent dat de productie van ijzige verbindingen in schijven nu kan worden verkend, wat de weg bereidt voor toekomstige onderzoeken van de complexe organische chemie in planetaire kraamkamers. Daarmee beschikken astronomen, bij hun jacht op levensvatbare exoplaneten, nu over een krachtig nieuw hulpmiddel. Bron: ESO.

References[+]

References
1 Het patroon in de methanolgegevens die met ALMA zijn verzameld, stemt overeen met een gordel van methanol tussen 30 en 100 astronomische eenheden (AE) van de ster. Deze structuur ondersteunt de hypothese dat het leeuwendeel van het ijs in de schijf te vinden is op de wat grotere (afmetingen tot een millimeter) stofdeeltjes in de binnenste 50 AE, die zich hebben losgemaakt van het gas en straalsgewijs in de richting van de ster zijn afgedreven.
2 Bij dit onderzoek zijn ook andere mechanismen dan thermische desorptie (waarbij methanol vrijkomt bij temperaturen die hoger zijn dan zijn sublimatietemperatuur) door het team overwogen, waaronder fotodesorptie door ultraviolette fotonen en reactieve desorptie. Gedetailleerdere ALMA-waarnemingen zouden zeker helpen om vast te stellen welk scenario de boventoon voert.
3 Het radiale verloop in de chemische samenstelling van het middenvlak van de schijf, en met name de ligging van de verschillende sneeuwlijnen, is cruciaal bij het begrijpen van de chemische eigenschappen van planeten-in-wording. De sneeuwlijnnen geven de grens aan waar voorbij een bepaalde vluchtige chemische verbinding aan stofdeeltjes vastvriest. De ontdekking dat methanol ook in de koudere buitengebieden van de schijf te vinden is, toont aan dat het zich van de stofdeeltjes kan losmaken bij temperaturen die veel lager zijn dan zijn sublimatietemperatuur – een voorwaarde voor thermische desorptie.

Lichtecho’s gebruikt om de omvang van binnenzijde protoplanetaire schijf te meten

Impressie van een ster omgeven door een protoplanetaire schijf. Credit: NASA/JPL-Caltech.

Sterrenkundigen van de Universiteit van Arizona hebben voor het eerst lichtecho’s gebruikt om te meten hoe groot de binnenzijde is van een grote protoplanetaire wolk van gas en stof rondom een ster. Het gaat om de ster YLW 16B, een zogeheten T-Tauri ster die nog maar één miljoen jaar oud eh… jong is en die 400 lichtjaar van de aarde staat. Die ster is met de infrarood-ruimtetelescoop Spitzer van de NASA en op aarde met vier telescopen bestudeerd en daarbij keek men naar de zogeheten “photo-reverberations” van de ster, ook wel de  lichtecho’s genoemd. Een ster straalt naar alle kanten licht uit, maar als zo’n ster omgeven is door een dichte schijf van gas en stof zal een deel van dat licht weerkaatsen door de binnenzijde van die schijf en dan de andere kant opgaan, met een vertraging van ongeveer een minuut (afhankelijk van de afstand) ten opzichte van licht dat rechtstreeks die kant op ging. Hieronder wordt dat idee van die lichtecho geschetst.

Zo ontstaat een lichtecho door een protoplanetaire schijf. Credit: NASA/JPL-Caltech.

Gedurende twee nachten werd YLW 16B waargenomen door een batterij instrumenten en de uitkomst was dat men in staat was de vertraging te meten van licht dat rechtstreeks naar de aarde werd gezonden en licht dat ons via een echo bereikt, een vertraging die 74,5 ± 3,2 seconden bedroeg. Hieruit bleek dat de binnenzijde van de protoplanetaire schijf rondom YLW 16B 0,084 astronomische eenheid van de ster verwijderd is, dat is zo’n 12 miljoen km, 8% van de afstand aarde-zon, een kwart van de afstand Mercurius-zon. De dikte van de schijf kon men niet direct meten, maar de sterrenkundigen hebben wel de indruk dat die schijf relatief dik moet zijn. Dát de protoplanetaire schijven – waar uiteindelijk planeetstelsels zoals het zonnestelsel in kunnen ontstaan – zo’n gat in het midden hebben is al langer bekend en de oorzaak is ook bekend: de sterke straling van de ster ioniseert het gas rondom en het stof wordt door de hitte van de ster verdampt. Hier het vakartikel over de studie aan YLW 16B. Bron: Universiteit van Arizona.

Bewijs gevonden voor planeetvorming in aarde-achtige baan rond jonge ster

ALMA-opname van de schijf rond de jonge ster TW Hydrae.

Deze nieuwe opname van de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) toont de kleinste details die ooit in de planeetvormende schijf rond de nabije zonachtige ster TW Hydrae zijn waargenomen. De schijf vertoont een intrigerende onderbreking op dezelfde afstand van de ster als de afstand tussen zon en aarde. Dat kan erop wijzen dat hier een jonge versie van onze eigen planeet, of anders een zwaardere superaarde, aan het ontstaan is.

De ster TW Hydrae is een populair onderzoeksobject voor astronomen. Dat komt doordat hij relatief dichtbij staat (175 lichtjaar van ons vandaan) en ook heel jong is (ongeveer 10 miljoen jaar). Bovendien is de schijf zo georiënteerd dat astronomen deze recht van ‘boven’ waarnemen, waardoor de protoplanetaire schijf geen perspectivische vertekening vertoont.’Eerdere onderzoeken met optische en radiotelescopen hebben bevestigd dat TW Hydrae is omgeven door een opvallende schijf die structuren vertoont die er sterk op wijzen dat er planeten beginnen samen te klonteren,’ zegt Sean Andrews van het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics in Cambridge, Massachusetts (VS), en hoofdauteur van een artikel dat vandaag in Astrophysical Journal Letters wordt gepubliceerd. ‘De nieuwe ALMA-opnamen geven een ongekend gedetailleerd beeld van deze schijf die, naast een aantal concentrische stofrijke, heldere ringen, enkele lege, donkere gordels vertoont. Een van die structuren kan erop wijzen dat er een planeet in een aarde-achtige omloopbaan aan het ontstaan is.‘Ook de opvallende leemten op drie miljard en zes miljard kilometer van de centrale ster – afstanden die vergelijkbaar zijn met de afstanden zon-Uranus en zon-Pluto – zijn waarschijnlijk het gevolg van het planeetvormingsproces. De planeten-in-wording die om de ster draaien vegen het stof en gas in de omgeving van hun omloopbaan op en loodsen het resterende materiaal naar de scherp begrensde ringen.

ALMA-opname van de planeetvormende schijf rond de jonge, zonachtige ster TW Hydrae.

Voor de nieuwe waarnemingen van TW Hydrae, waarbij details zijn vastgelegd die in omvang vergelijkbaar zijn met de afstand tussen de aarde en de zon (ongeveer 150 miljoen kilometer), detecteerden de astronomen de zwakke radiostraling van de ongeveer één millimeter grote stofdeeltjes in de schijf. Om deze gedetailleerde waarnemingen mogelijk te maken, werden de schotelantennes van ALMA zo ver mogelijk uit elkaar gezet. In die configuratie, waarbij de maximale afstand tussen de schotels 15 kilometer bedraagt, worden de scherpste opnamen verkregen. ‘Dit is de scherpste opname van een planetaire schijf die ALMA ooit heeft gemaakt, en dit record zal ook niet snel worden verbeterd!‘, zegt Andrews [1]De scherpte van de opnamen van HL Tauri was vergelijkbaar met deze nieuwe waarnemingen, maar omdat TW Hydrae veel dichter bij de aarde staat, zijn in deze schijf kleinere details te zien..’TW Hydrae is heel bijzonder. Het is de dichtstbijzijnde protoplanetaire schijf die we kennen en deze vertoont mogelijk sterke overeenkomsten met ons zonnestelsel, toen dat nog maar 10 miljoen jaar oud was,‘ aldus mede-auteur David Wilner, eveneens van het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics.Eerdere ALMA-waarnemingen van een andere ster, HL Tauri, laten zien dat zelfs nóg jongere protoplanetaire schijven – van amper 1 miljoen jaar oud – dergelijke tekenen van planeetvorming kunnen vertonen. Door de oudere schijf van TW Hydrae te onderzoeken, hopen astronomen meer inzicht te krijgen in het ontstaan van onze eigen planeet. Ook willen astronomen erachter zien te komen hoe ‘gewoon’ de waargenomen structuren in de schijven rond jonge sterren zijn en hoe zij zich mettertijd ontwikkelen.

Bron: European Southern Observatory.

References[+]

References
1 De scherpte van de opnamen van HL Tauri was vergelijkbaar met deze nieuwe waarnemingen, maar omdat TW Hydrae veel dichter bij de aarde staat, zijn in deze schijf kleinere details te zien.

Waarom draaien alle planeten om de zon naar dezelfde richting?

Alle acht planeten draaien tegen de klok om de zon [1]De zon zelf draait ook tegen de klok in, de planetoïden tussen Mars en Jupiter ook, de meeste manen van de planeten ook. – bekijk hier een mooie simulatie van het heelal waarin je ’t kunt zien. Interessante vraag is waarom ze dat doen, waarom ze allemaal dezelfde kant uit draaien. Qua asrotatie zijn er afwijkende planeten, want Venus draait de andere kant uit en Uranus z’n rotatieas ligt geheel op z’n zij. Dus waarom geen afwijking bij de rotatie om de zon? Het antwoord is dat ze nu allemaal keurig netjes dezelfde kant uit draaien, maar dat ze dat helemaal in het begin van het zonnestelsel niet deden! Ons zonnestelsel is ontstaan vanuit een grote moleculaire wolk van gas en stof, die als geheel een rotatie tegen de klok had. In het midden van de wolk bevond zich de grootste massa en dat werd de zon, de rest van de wolk platte af tot een protoplanetaire schijf, die dezelfde richting had als de proto-zon. Binnen de schijf ontstonden de planeten uit zogeheten planetesimalen, die mogelijk alle kanten uit draaiden. Het is door botsingen dat ze uiteindelijk allemaal dezelfde kant uitdraaiden. Hoe uit de chaotische bewegingen uiteindelijk één voorkeursrichting ontstond wordt prachtig weergegeven in onderstaande video, waarin een docent natuurkunde de werking van de zwaartekracht uitlegt met behulp van een soort laken. Kijk vanaf 2:30 min. voor het gedeelte over de richting, als de docent knikkers verschillende kanten opgooit. Kijk dan wat er gebeurt!

References[+]

References
1 De zon zelf draait ook tegen de klok in, de planetoïden tussen Mars en Jupiter ook, de meeste manen van de planeten ook.

ALMA ontdekt onverwacht koude stofdeeltjes in planeet-vormende schijf

De protoplanetaire schijf ‘Vliegende Schotel’ rond de ster 2MASS J16281370-2431391. Alle afbeeldingen: Credit Digitized Sky Survey 2/NASA/ESA

Astronomen hebben met de telescopen ALMA en IRAM voor het eerst een rechtstreekse meting gedaan van de temperatuur van de grote stofdeeltjes in het buitenste deel van een planeet-vormende schijf rond een jonge ster. Door een nieuwe techniek toe te passen op een object dat de bijnaam Vliegende Schotel draagt, hebben zij ontdekt dat de deeltjes veel kouder zijn dan verwacht: -266 graden Celsius. Dit verrassende resultaat wijst erop dat de bestaande schijfmodellen moeten worden bijgesteld.

Het internationale team, onder leiding van Stephane Guilloteau van het Laboratoire d’Astrophysique de Bordeaux in Frankrijk, heeft de temperatuur gemeten van grote stofdeeltjes rond de jonge ster 2MASS J16281370-2431391 in het spectaculaire Rho Ophiuchi-stervormingsgebied op ongeveer 400 lichtjaar van de aarde.

Deze ster is omringd door een schijf van gas en stof. Zulke schijven worden protoplanetaire schijven genoemd, omdat ze het beginstadium van het planeetvormingsproces vertonen. Deze specifieke schijf zien we bijna van opzij, wat hem de bijnaam Vliegende Schotel heeft opgeleverd.

De protoplanetaire schijf ‘Vliegende Schotel’ rond de ster 2MASS J16281370-2431391. Credit:ESO/NASA/ESA

De astronomen gebruikten ALMA om de gloed waar te nemen die afkomstig is van de koolstofmonoxide-moleculen in de schijf van 2MASS J16281370-2431391. Dat heeft behalve heel scherpe opnamen ook een bijzondere ontdekking opgeleverd: op sommige plekken zagen ze een negatief signaal! Normaal gesproken is een negatief signaal onmogelijk, maar in dit geval is er een verklaring voor. En die resulteert in een verrassende conclusie.

Hoofdauteur Stephane Guilloteau steekt van wal: ‘Deze schijf wordt niet waargenomen tegen een zwarte en lege hemelachtergrond. In plaats daarvan zien we hem afsteken tegen de gloed van de Rho Ophiuchi-nevel. Deze gloed is te uitgestrekt om door ALMA gedetecteerd te worden, maar wordt wel door de schijf geabsorbeerd. Het resulterende negatieve signaal betekent dat delen van de schijf kouder zijn dan de achtergrond. De Vliegende Schotel werpt letterlijk zijn schaduw over de aarde!

Het Rho Ophiuchi-stervormingsgebied in het sterrenbeeld Slangendrager

Het team combineerde de ALMA-metingen van de schijf met waarnemingen van de achtergrondgloed die zijn gedaan met de 30-meter IRAM-telescoop in Spanje [1]De IRAM-metingen waren nodig, omdat ALMA zelf niet gevoelig was voor het uitgestrekte achtergrondsignaal.. Daaruit leiden ze af dat de schijfdeeltjes op ongeveer 15 miljard kilometer van de centrale ster [2]Dit komt overeen met honderd keer de afstand zon-aarde. In ons zonnestelsel is op die plek de Kuipergordel te vinden. een temperatuur van slechts -266 graden Celsius hebben (slechts 7 graden boven het absolute nulpunt oftewel 7 kelvin). Het is voor het eerst dat de temperatuur van grote deeltjes (met afmetingen van ongeveer een millimeter) in zo’n object rechtstreeks is gemeten.

De temperatuur is veel lager dan de -258 tot -253 graden Celsius (15 tot 20 kelvin) die de meeste modellen van dit moment voorspellen. Deze discrepantie wijst erop dat de grote stofdeeltjes heel andere eigenschappen hebben dan die modellen veronderstellen.

Het Rho Ophiuchi-stervormingsgebied in het sterrenbeeld Slangendrager

Om de gevolgen van deze ontdekking voor de schijfstructuur te kunnen inschatten, zullen we moeten onderzoeken welke plausibele stofeigenschappen in zulke lage temperaturen kunnen resulteren. We hebben wel wat ideeën – bijvoorbeeld dat de temperatuur afhankelijk kan zijn van de afmetingen van de deeltjes, waardoor grotere deeltjes koeler zijn dan kleinere – maar het is nog te vroeg om daar zeker van te zijn,’ aldus mede-auteur Emmanuel di Folco (Laboratoire d’Astrophysique de Bordeaux).

Als deze lage stoftemperaturen een normale eigenschap blijken te zijn van protoplanetaire schijven, kan dat allerlei gevolgen hebben voor ons begrip van de manier waarop zij ontstaan en evolueren.

Zo zijn andere stofeigenschappen van invloed op wat er gebeurt wanneer deze deeltjes met elkaar in botsing komen, en dus op hun rol als planetaire ‘groeikernen’. Of de vereiste verandering in stofeigenschappen in dit opzicht significant is of niet, kan nog niet worden ingeschat.

Lage stoftemperaturen kunnen ook een grote uitwerking hebben op de kleinere stofschijven die we kennen. Als deze schijven voornamelijk bestaan uit grotere, maar koelere stofdeeltjes dan momenteel wordt verondersteld, zou dat betekenen dat deze compacte schijven veel meer massa kunnen hebben en dus in staat moeten zijn om grote planeten te vormen op relatief geringe afstand van de centrale ster.

Er zijn meer waarnemingen nodig, maar het lijkt erop dat het koelere stof dat met ALMA is waargenomen significante gevolgen kan hebben voor onze kijk op protoplanetaire schijven. Bron: ESO.

References[+]

References
1 De IRAM-metingen waren nodig, omdat ALMA zelf niet gevoelig was voor het uitgestrekte achtergrondsignaal.
2 Dit komt overeen met honderd keer de afstand zon-aarde. In ons zonnestelsel is op die plek de Kuipergordel te vinden.

ALMA komt met nieuw bewijs voor jonge planeten in schijven rond jonge sterren

Artist’s impression van de transitieschijf rond een jonge ster. Credit:ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/M. Kornmesser

Astronomen die gebruik maken van de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) hebben de sterkste aanwijzing tot nu toe gevonden dat in de schijven van gas en stof rond vier jonge sterren recent planeten zijn ontstaan die enkele malen zoveel massa hebben als Jupiter. Metingen van het gas rond de sterren geeft meer inzicht in de eigenschappen van deze planeten.

Bij bijna elke ster worden planeten ontdekt, maar astronomen snappen nog steeds niet goed hoe – en onder welke omstandigheden – ze ontstaan. Om vragen als deze te kunnen beantwoorden, onderzoeken ze de draaiende schijven van gas en stof rond jonge sterren, waaruit planeten ontstaan. Maar deze schijven zijn klein en ver weg. Om ze te kunnen ontraadselen hadden ze een krachtige telescoop als ALMA nodig.

Astronomen die gebruik maken van de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) hebben duidelijke verschillen ontdekt tussen de centrale gaten in het gas en het stof in de schijven rond vier jonge sterren. Dat is de sterkste aanwijzing tot nu toe dat in deze schijven recent planeten van enkele Jupitermassa’s zijn ontstaan. Dit schematische diagram laat zien hoe het stof (bruin) en gas (blauw) rond de ster is verdeeld, en hoe een jonge planeet het centrale gat schoonveegt. Credit: ESO/M. Kornmesser.

Bepaalde schijven – de zogeheten transitieschijven – vertonen een verrassende afwezigheid van stof in hun centrum (het gebied rond de ster). Voor het ontstaan van deze raadselachtige gaten zijn twee mogelijke scenario’s bedacht. Het is denkbaar dat het omringende materiaal is weggeblazen of afgebroken door de sterke sterrenwind en intense straling van de ster [1]Dit proces, waarbij het stof en gas van binnen uit wordt opgeruimd, wordt foto-evaporatie genoemd.. Een andere mogelijkheid is dat het materiaal is opgeveegd door zware planeten-in-wording die om de ster cirkelen [2]Zulke planeten zijn niet gemakkelijk rechtstreeks waarneembaar (eso1310), en eerdere onderzoeken op millimetergolflengten (eso1325) hebben geen duidelijk beeld opgeleverd van de centrale … Continue reading.

ALMA-opname van de transitieschijf HD 135344B. Credit:ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

De ongeëvenaarde gevoeligheid en beeldscherpte van ALMA heeft een team van astronomen, onder leiding van Nienke van der Marel van de Leidse Sterrewacht, nu in staat gesteld om – nauwkeuriger dan ooit tevoren – de verdeling van het gas en stof in vier van deze transitieschijven in kaart te brengen [3]De vier doelwitten van dit onderzoek waren SR 21, HD 135344B (ook bekend als SAO 206462), DoAr 44 en Oph IRS 48..

De nieuwe opnamen laten zien dat er aanzienlijke hoeveelheden gas in de ‘stofgaten’ zitten [4]Het gas in de transitieschijven bestaat grotendeels uit waterstof, maar wordt opgespoord door de straling van koolstofmonoxide (CO)-moleculen te detecteren.. Maar tot verrassing van de astronomen vertoont ook het gas een gat, al is dat tot wel drie keer zo klein als het gat in het stof.

Dit kan alleen worden verklaard met het scenario waarbij pas gevormde zware planeten die om de ster cirkelen het gas hebben opgeveegd, en de stofdeeltjes in een verder naar buiten gelegen ‘stofval’ terecht zijn gekomen [5]Het begrip ‘stofval’ wordt in een eerder persbericht uitgelegd (eso1325)..

ALMA-opname van de transitieschijf DoAr 44. Credit:ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

‘Eerdere waarnemingen hadden al aangegeven dat zich gas in de stofgaten bevindt,’ legt Nienke van der Marel uit. ‘Maar omdat ALMA het materiaal in de volledige schijf veel gedetailleerder in beeld kan brengen dan andere instrumenten, kunnen we het alternatieve scenario uitsluiten. De lege holte wijst er duidelijk op dat planeten van enkele Jupitermassa’s bezig zijn om de schijf schoon te vegen.’

Opmerkelijk is dat deze waarnemingen zijn verricht met slechts een tiende van het huidige oplossend vermogen van ALMA, omdat ze plaatsvonden toen de helft van de array op de Chajnantor-hoogvlakte in het noorden van Chili nog in aanbouw was.

Verder onderzoek zal nu moeten uitwijzen of ook andere transitieschijven in de richting van het schoonvegende-planetenscenario wijzen, alhoewel ALMA’s waarnemingen nu al waardevolle nieuwe inzichten over het ingewikkelde planeetvormingsproces hebben opgeleverd.

‘Alle transitieschijven met een groot stofvrij gat die tot nu toe onderzocht zijn, vertonen ook een gasholte. Dus met ALMA kunnen we nu gaan onderzoeken waar en wanneer reuzenplaneten in deze schijven geboren worden, en deze resultaten vergelijken met planeetvormingsmodellen,’ zegt Ewine van Dishoeck, tevens van de Leidse Sterrewacht en van het Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching [6]Andere voorbeelden zijn de transitieschijven van HD 142527 (eso1301 en hier) en J1604-2130.. ‘De rechtstreekse detectie van planeten valt maar net binnen het bereik van de huidige instrumenten, en de volgende generatie van telescopen die momenteel in aanbouw is, zoals de European Extremely Large Telescope, zullen veel verder kunnen gaan. ALMA laat zien waar ze moeten kijken.’

Bron: ESO.

References[+]

References
1 Dit proces, waarbij het stof en gas van binnen uit wordt opgeruimd, wordt foto-evaporatie genoemd.
2 Zulke planeten zijn niet gemakkelijk rechtstreeks waarneembaar (eso1310), en eerdere onderzoeken op millimetergolflengten (eso1325) hebben geen duidelijk beeld opgeleverd van de centrale planeetvormingsgebieden waar deze verschillende verklaringen getoetst zouden kunnen worden. Andere onderzoeken (eso0827) konden het leeuwendeel van het gas in deze schijven niet meten.
3 De vier doelwitten van dit onderzoek waren SR 21, HD 135344B (ook bekend als SAO 206462), DoAr 44 en Oph IRS 48.
4 Het gas in de transitieschijven bestaat grotendeels uit waterstof, maar wordt opgespoord door de straling van koolstofmonoxide (CO)-moleculen te detecteren.
5 Het begrip ‘stofval’ wordt in een eerder persbericht uitgelegd (eso1325).
6 Andere voorbeelden zijn de transitieschijven van HD 142527 (eso1301 en hier) en J1604-2130.

Groninger symposium VWS over “Protoplanetaire Schijven”

KNVWS / GVWS [1]De Koninkrijke Nederlandse Vereniging voor Weer- en Sterrenkunde en de Groninger Vereniging voor Weer- en Sterrenkunde. organiseert in samenwerking met het Kapteyn astronomisch instituut van de Rijksuniversiteit Groningen een symposium over protoplanetaire schijven.

References[+]

References
1 De Koninkrijke Nederlandse Vereniging voor Weer- en Sterrenkunde en de Groninger Vereniging voor Weer- en Sterrenkunde.

Een directe opname van de Kuipergordel van een andere ster

Credit: T. Currie

Astronomen hebben gebruik gemaakt van de Gemini Planet Imager om gedetailleerde foto’s te maken van een planeetvormende schijf. Deze schijf blijkt opvallende overeenkomsten te vertonen met onze Kuipergordel, hoewel in een veel jonger stadium. Het jonge stelsel wordt HD 115600 genoemd en bevindt zich op een afstand van 360 lichtjaar. De ster, iets groter dan de zon, wordt omringd door een heldere band van materiaal. Deze ring strekt zich uit op een afstand van 37 tot 55 AU en da’s vergelijkbaar met de afstand tussen de Kuipergordel en de zon. Ook blijkt de exo-Kuipergordel uit hetzelfde materiaal te zijn opgebouwd als “het onze” – ijs en silicaten. Volgens één van de betrokken onderzoekers “is het alsof je een foto maakt van het buiten-zonnestelsel toen de zon nog een peuter was”. Bron: University of Cambridge.