Nieuwe beelden van de Japanse Subaru-telescoop laten zien hoe een jonge ster in de buurt snel zijn kindertijd beëindigde. De opening bevindt zich op ongeveer dezelfde afstand van de ster als de baan van Saturnus, en het levert extra bewijs op voor theorieën over hoe schijven van materiaal rond jonge sterren evolueren.
Inzoomend op een nabijgelegen jonge ster genaamd HD 141569A, gebruikten astronomen van het National Astronomical Observatory of Japan en het Max Planck Institute for Astronomy de Subaru-telescoop op Mauna Kea, Hawai'i, om een gat in een schijf van gas en stof te ontdekken de ster. Het bestaan van deze grote kloof, die ongeveer zo groot is als de baan van Saturnus, ondersteunt de theorie dat deze jonge ster abrupt zijn kindertijd beëindigde door het gas te ioniseren en weg te duwen in de schijf waaruit hij was geboren.
Het team, onder leiding van Dr. Miwa Goto en Professor Tomonori Usuda, profiteerde van de uitstekende ruimtelijke resolutie van het adaptieve optische systeem en de infraroodcamera en spectrograaf (IRCS) op Subaru, om het binnenste deel van de schijf rond HD 141569A op te lossen in emissielijnen van koolmonoxide in het infrarode deel van het elektromagnetische spectrum. Het was bekend dat de schijf bestond uit eerdere studies van het stof rond de ster. Door het gas te bestuderen, heeft de nieuwe studie met succes de grootte van de binnenruimte in de schijf bepaald.
Emissie van koolmonoxide (CO) in de schijf rond HD 141569A, die ongeveer 320 lichtjaar van de aarde verwijderd is, strekt zich uit tot een afstand die vijftig keer zo groot is als de baan van de aarde. (De afstand tussen de aarde en de zon wordt een astronomische eenheid genoemd. In ons zonnestelsel is de orbitale straal van Neptunus ongeveer 30 AU). Het wordt geleidelijk sterker naar het binnenste deel dat zich het dichtst bij de ster bevindt. De emissie piekt rond de 15 AU en neemt dan af tot de centrale ster. "We weten nu dat er weinig gas overblijft in de binnenste 11 AU van de schijf", zei Usuda. "Met andere woorden, HD 141569A heeft een gat in het midden van zijn moleculaire gasschijf volledig ontwikkeld dat groter is dan de grootte van de baan van Saturnus."
"De grootte van het gat is erg belangrijk", zei Goto, "omdat het de mogelijkheden beperkt hoe het gat in de eerste plaats is ontstaan."
Theoretisch zou een circumstellaire schijf een binnenholte kunnen hebben die is gecreëerd door het sluiten van lijnen in de magnetosfeer van de ster, waardoor de schijf zou worden afgesneden. Dit wordt magnetosferische truncatie genoemd en zou kunnen verklaren waarom er een gat in het stof zit. De grootte van de afknotting moet echter veel kleiner zijn, zo klein als een honderdste van een astronomische eenheid, of ongeveer zo groot als de ster zelf, dus dit kan de huidige waarneming niet verklaren.
De vernietiging van stof door straling van de ster in een proces dat sublimatie wordt genoemd, kan ook een binnengat in een schijf veroorzaken. Nogmaals, de verwachte straal van een dergelijke activiteit is te klein, ongeveer een tiende van de baanradius van de aarde, om rekening te houden met de centrale holte van HD 141569A.
De beste verklaring voor de grootte van de centrale holte van HD 141569A komt omdat deze overeenkomt met de zwaartekrachtstraal van de ster. Dit is de straal waar de geluidssnelheid van geïoniseerd gas dat uit de ster stroomt gelijk is aan de ontsnappingssnelheid van de ster. Met andere woorden, het gas buiten de zwaartekrachtstraal kan vrij uit het systeem ontsnappen zodra het geïoniseerd is. Het gas in de schijf is het dichtst bij de zwaartekrachtstraal en ontvangt meer straling van de centrale ster dan het buitenste deel. Het massaverlies van de schijf door fotoverdamping is daarom het meest efficiënt bij de zwaartekrachtstraal.
De vergelijkbare grootteschaal van de binnenste holte van de schijf van HD 141569A en zijn zwaartekrachtstraal, ongeveer 18 astronomische eenheden, geeft aan dat de opening wordt gemaakt door fotoverdamping, waarbij gas wordt geïoniseerd en weggeduwd. Het laat ook zien dat fotoverdamping over het algemeen inderdaad effectief is bij het verwijderen van een schijf rond een jonge ster, zelfs als er ook andere processen aanwezig zijn (zoals het opstapelen van materiaal tot klonters die viskeuze accretie worden genoemd).
Dit theoretische beeld is niet nieuw, maar de huidige waarneming is het eerste dat enig duidelijk bewijs biedt om deze theorie te ondersteunen. Op deze foto verdampen circumstellaire schijven niet langzaam uit gebieden direct grenzend aan de centrale ster. In plaats daarvan verschijnt een gat zo groot als de zwaartekrachtstraal van de ster min of meer abrupt en wordt dan groter totdat de schijf en het potentieel voor het vormen van planeten verdwenen is.
De rol van een circumstellaire schijf
Een ster wordt geboren wanneer gas zich ophoopt in een moleculaire wolk. Het gas is voornamelijk in de vorm van moleculaire waterstof. Omdat gas een impulsmoment heeft, kan het niet rechtstreeks op het oppervlak van een ster landen. In plaats daarvan vormt het een dunne, schijfachtige structuur rond een ster en verliest het langzaam momentum wanneer het om de ster draait, zodat de ster het uiteindelijk naar binnen kan trekken. Zonder zo'n 'circumstellaire schijf' zou een ster geen massa kunnen verzamelen van zijn geboortewolk.
Naast zijn functie als gastoevoer voor stervorming, levert een circumstellaire schijf ook grondstoffen voor planeten. Materiaal dat overblijft van de stervorming blijft geleidelijk aan elkaar plakken, waardoor kiezelstenen en rotsen ontstaan. Deze komen samen om nog grotere lichamen te vormen, zoals 100 meter brede planetesimalen. Al dit materiaal blijft rond de ster draaien terwijl het uitgroeit tot steeds grotere lichamen. Uiteindelijk, als de omstandigheden goed zijn, produceert dit aanwasproces een rotsachtige planeet die lijkt op de aarde.
Recente observationele studies van circumstellaire schijven hebben geprofiteerd van de thermische emissie en het verstrooide licht van het vaste materiaal in schijven. In de vroege tijdperken van het bestaan van een schijf beslaan deze vaste stoffen echter slechts ongeveer één procent van de totale schijfmassa. De rest bevindt zich nog in de gasfase en voornamelijk in moleculaire vorm (zoals koolmonoxide). Als we naar een schijf kijken en de koolmonoxidecomponent bestuderen in plaats van de stofkorrels, kijken we naar de gasschijf, die het belangrijkste onderdeel van de schijf is.
Een circumstellaire schijf bestaat slechts korte tijd terwijl de centrale ster er gas uit verzamelt. Om te begrijpen hoe een schijf evolueert, stel je voor dat de hele levensduur van de ster slechts honderd jaar was. De circumstellaire schijf zou slechts bestaan van drie dagen tot een maand voordat hij helemaal zou verdwijnen. Een ster heeft tijdens de relatief korte levensduur van zijn circumstellaire schijf maar één kans om een planetair systeem te vormen. Als de ioniserende straling van de ster voorkomt dat de stofschijf in planeten terechtkomt voordat deze verdwijnt, dan is de kans voor de ster om het centrum van een zonnestelsel te worden voor altijd verloren. Wanneer en hoe een schijf verdwijnt, heeft daarom directe gevolgen voor de mogelijkheid van planetaire vorming.
Deze resultaten worden eind 2006 of begin 2007 gepubliceerd in het Astrophysical Journal.
Titel onderzoekspapier: Binnenrand van een moleculaire schijf die ruimtelijk is opgelost in infrarood-CO-emissielijnen, M. Goto, T. Usuda, C. P. Dullemond, Th. Henning, H. Linz, B. Stecklum en H. Suto
The Research Group: Miwa Goto (Max Planck Institute for Astronomy, Heidelberg, Germany) Tomonori Usuda (Subaru Telescope, NAOJ) C. P Dullemong (MPIA) Th. Henning (MPIA) H. Linz (MPIA) B. Stecklum (MPIA) Hiroshi Suto (NAOJ)
Oorspronkelijke bron: Subaru News Release
