Voor het eerst hebben astronomen in ongekende details de processen waargenomen die aanleiding geven tot sterren en planeten in ontluikende zonnestelsels. Met behulp van beide Keck-telescopen op Mauna Kea in Hawaï, uitgerust met een speciaal ontworpen instrument genaamd ASTRA (ASTrometric and phase-Referenced Astronomy), konden Joshua Eisner van de Universiteit van Arizona en zijn collega's diep in protoplanetaire schijven turen - wervelende gaswolken en stof dat de groeiende ster in zijn centrum voedt en uiteindelijk in planeten en asteroïden samenvalt om een zonnestelsel te vormen. Wat ze zagen, is inzicht verschaffen in de manier waarop waterstofgas uit de protoplanetaire schijf in de ster wordt opgenomen.
Om de extreem fijne resolutie te verkrijgen die nodig is om de processen te observeren die plaatsvinden op de grens tussen de ster en de omringende schijf op 500 lichtjaar van de aarde, combineerde het team het licht van de twee Keck-telescopen, die een hoekresolutie bieden die fijner is dan die van Hubble . Eisner en zijn team gebruikten ook een techniek genaamd spectro-astrometrie om de resolutie nog meer te verbeteren. Door het licht van de protoplanetaire schijven bij verschillende golflengten te meten met beide Keck telescoopspiegels en het verder te manipuleren met ASTRA, bereikten de onderzoekers de resolutie die nodig was om processen in de centra van de ontluikende zonnestelsels te observeren.
"De hoekresolutie die je kunt bereiken met de Hubble-ruimtetelescoop is ongeveer 100 keer te grof om te kunnen zien wat er gebeurt net buiten een ontluikende ster die niet veel groter is dan onze zon", zei Eisner. Met andere woorden, zelfs een protoplanetaire schijf die dichtbij genoeg is om in de buurt van ons zonnestelsel te worden beschouwd, zou als een klomp zonder eigenschappen verschijnen.
Met deze nieuwe techniek kon het team onderscheid maken tussen de verdelingen van gas, meestal bestaande uit waterstof, en stof, waardoor de eigenschappen van de schijf werden opgelost.
"We konden heel, heel dicht bij de ster komen en recht in de interface kijken tussen de gasrijke protoplanetaire schijf en de ster", zei Eisner.
Protoplanetaire schijven ontstaan in stellaire kraamkamers wanneer wolken van gasmoleculen en stofdeeltjes onder invloed van de zwaartekracht beginnen in te storten.
Aanvankelijk langzaam roterend, zorgt de groeiende massa en zwaartekracht ervoor dat de wolk dichter en compacter wordt. Het behoud van het draaimomentum versnelt de wolk terwijl deze krimpt, net zoals een kunstschaatsster sneller draait terwijl ze aan haar armen trekt. De middelpuntvliedende kracht maakt de wolk plat tot een draaiende schijf van wervelend gas en stof, waardoor uiteindelijk planeten ontstaan die in ongeveer hetzelfde vlak rond hun ster draaien.
Astronomen weten dat sterren massa verkrijgen door een deel van het waterstofgas op te nemen in de schijf die hen omringt, in een proces dat accretie wordt genoemd en dat op twee manieren kan gebeuren.
In één scenario wordt gas ingeslikt terwijl het tot aan het vurige oppervlak van de ster spoelt.
In het tweede, veel gewelddadiger scenario, duwen de magnetische velden die van de ster vegen het naderende gas terug en zorgen ervoor dat het zich ophoopt, waardoor een opening ontstaat tussen de ster en de omringende schijf. In plaats van te lappen op het oppervlak van de ster, reizen de waterstofatomen langs de magnetische veldlijnen alsof ze op een snelweg zijn en worden daarbij oververhit en geïoniseerd.
"Eenmaal gevangen in het magnetische veld van de ster, wordt het gas langs de veldlijnen geleid die hoog boven en onder het schijfvlak uitkomen", legt Eisner uit. "Het materiaal stort dan met hoge snelheden in de poolgebieden van de ster."
In dit inferno, dat elke seconde de energie van miljoenen atoombommen ter grootte van Hiroshima vrijgeeft, wordt een deel van de boogvormige gasstroom uit de schijf uitgestoten en spuwt ver de ruimte in als interstellaire wind.
'We willen begrijpen hoe materiaal op de ster aangroeit', zei Eisner. 'Dit proces is nooit rechtstreeks gemeten.'
Het team van Eisner richtte de telescopen op 15 protoplanetaire schijven met jonge sterren variërend in massa tussen de helft en 10 keer die van onze zon.
"We konden met succes vaststellen dat het gas in de meeste gevallen een deel van zijn kinetische energie omzet in licht dat heel dicht bij de sterren staat", zei hij, een duidelijk teken van het meer gewelddadige accretiescenario.
"In andere gevallen zagen we bewijs van winden die de ruimte in zijn gelanceerd samen met materiaal dat op de ster is geaccordeerd," voegde Eisner eraan toe. "We hebben zelfs een voorbeeld gevonden - rond een ster met een zeer hoge massa - waarin de schijf helemaal tot aan het stellaire oppervlak kan reiken."
De zonnestelsels die de astronomen voor dit onderzoek hebben gekozen, zijn nog jong, waarschijnlijk een paar miljoen jaar oud.
'Deze schijven blijven nog een paar miljoen jaar bestaan', zei Eisner. "Tegen die tijd kunnen de eerste planeten, gasreuzen vergelijkbaar met Jupiter en Saturnus, zich vormen, waarbij veel schijfmateriaal wordt verbruikt."
Solide, rotsachtige planeten zoals de aarde, Venus of Mars zullen er pas veel later zijn.
"Maar de bouwstenen daarvoor kunnen zich nu vormen", zei hij, en daarom is dit onderzoek belangrijk voor ons begrip van hoe zonnestelsels zich vormen, inclusief die met potentieel bewoonbare planeten zoals de aarde.
'We gaan kijken of we vergelijkbare metingen kunnen doen aan organische moleculen en water in protoplanetaire schijven', zei hij. 'Dat zouden degenen kunnen zijn die mogelijk planeten doen ontstaan met de voorwaarden om leven te herbergen.'
De paper van het team is gepubliceerd in het Astrophysical Journal
Paper: Eisner et al. Ruimtelijk en spectraal opgelost waterstofgas binnen 0,1 AU van T Tauri en Herbig Ae / Be Stars.
Bron: University of Arizona
