Een van de meest actuele astrofysische onderwerpen - de jacht op aardachtige planeten rond andere sterren - heeft zojuist een belangrijke impuls gekregen van nieuwe spectrale waarnemingen met het MIDI-instrument van de ESO VLT Interferometer (VLTI).
Een internationaal team van astronomen [2] heeft unieke infraroodspectra van het stof verkregen in de binnenste gebieden van de proto-planetaire schijven rond drie jonge sterren - nu in een toestand die mogelijk sterk lijkt op die van ons zonnestelsel in wording, zo'n 4500 miljoen jaar geleden.
Rapporterend in het nummer van deze week van het wetenschappelijke tijdschrift Nature, en dankzij het ongeëvenaarde, scherpe en indringende beeld van interferometrie, laten ze zien dat in alle drie de juiste ingrediënten aanwezig zijn op de juiste plaats om de vorming van rotsachtige planeten bij deze sterren te starten.
"Zand" in de binnenste gebieden van stellaire schijven
De zon werd ongeveer 4.500 miljoen jaar geleden geboren uit een koude en enorme wolk van interstellair gas en stof die instortte onder zijn eigen zwaartekracht. Rond de jonge ster was een stoffige schijf aanwezig, waarin later de aarde en andere planeten, maar ook kometen en asteroïden werden gevormd.
Dit tijdperk is allang voorbij, maar we kunnen nog steeds getuige zijn van datzelfde proces door de infraroodemissie van zeer jonge sterren en de stoffige protoplanetaire schijven eromheen te observeren. Tot dusver was het met de beschikbare instrumenten echter niet mogelijk om de verspreiding van de verschillende stofcomponenten in dergelijke schijven te bestuderen; zelfs de meest bekende zijn te ver weg voor de beste enkele telescopen om ze op te lossen. Maar nu, zoals Francesco Paresce, projectwetenschapper voor de VLT-interferometer en een lid van het team van ESO, uitlegt: “Met de VLTI kunnen we het licht van twee goed gescheiden grote telescopen combineren om een ongekende hoekresolutie te verkrijgen. Hierdoor konden we voor het eerst rechtstreeks in het binnenste deel van de schijven rond enkele nabijgelegen jonge sterren turen, precies op de plaats waar we verwachten dat planeten zoals onze aarde zich vormen of zich binnenkort zullen vormen ”.
Meer specifiek hebben nieuwe interferometrische waarnemingen van drie jonge sterren door een internationaal team [2], gebruikmakend van het gecombineerde vermogen van twee 8,2 m VLT-telescopen op honderd meter afstand, voldoende beeldscherpte bereikt (ongeveer 0,02 boogsec) om de infraroodemissie van de binnenste gebied van de schijven rond drie sterren (komt ongeveer overeen met de grootte van de baan van de aarde rond de zon) en de emissie van het buitenste deel van die schijven. De bijbehorende infraroodspectra hebben cruciale informatie opgeleverd over de chemische samenstelling van het stof in de schijven en ook over de gemiddelde korrelgrootte.
Deze baanbrekende waarnemingen laten zien dat het binnenste deel van de schijven zeer rijk is aan kristallijne silicaatkorrels ("zand") met een gemiddelde diameter van ongeveer 0,001 mm. Ze worden gevormd door coagulatie van veel kleinere, amorfe stofkorrels die alomtegenwoordig waren in de interstellaire wolk die de sterren en hun schijven heeft voortgebracht.
Modelberekeningen laten zien dat kristallijne korrels overvloedig aanwezig moeten zijn in het binnenste deel van de schijf ten tijde van de vorming van de aarde. In feite bestaan de meteorieten in ons eigen zonnestelsel voornamelijk uit dit soort silicaat.
De Nederlandse astronoom Rens Waters, lid van het team van het Astronomisch Instituut van de Universiteit van Amsterdam, is enthousiast: “Nu alle ingrediënten aanwezig zijn en de vorming van grotere korrels uit stof al is begonnen, is de vorming van steeds grotere brokken steen en tenslotte zijn aardachtige planeten van deze schijven bijna onvermijdelijk! ”
De korrels transformeren
Het is al enige tijd bekend dat het meeste stof in schijven rond pasgeboren sterren bestaat uit silicaten. In de geboortewolk is dit stof amorf, d.w.z. de atomen en moleculen waaruit een stofkorrel bestaat, worden op een chaotische manier in elkaar gezet en de korrels zijn donzig en erg klein, typisch ongeveer 0,0001 mm groot. Echter, in de buurt van de jonge ster waar de temperatuur en de dichtheid het hoogst zijn, hebben de stofdeeltjes in de circumstellaire schijf de neiging aan elkaar te plakken zodat de korrels groter worden. Bovendien wordt het stof verhit door stellaire straling en dit zorgt ervoor dat de moleculen in de korrels zichzelf herschikken in geometrische (kristallijne) patronen.
Dienovereenkomstig wordt het stof in de schijfgebieden die zich het dichtst bij de ster bevinden, al snel getransformeerd van "ongerepte" (kleine en amorfe) naar "verwerkte" (grotere en kristallijne) korrels.
Spectrale waarnemingen van silicaatkorrels in het midden-infrarode golflengtegebied (ongeveer 10 urn) zullen uitwijzen of ze "ongerept" of "verwerkt" zijn. Eerdere waarnemingen van schijven rond jonge sterren hebben aangetoond dat een mengsel van ongerept en verwerkt materiaal aanwezig is, maar tot dusver was het onmogelijk om te zeggen waar de verschillende korrels in de schijf zich bevonden.
Dankzij een honderdvoudige toename van de hoekresolutie met de VLTI en het zeer gevoelige MIDI-instrument, laten gedetailleerde infraroodspectra van de verschillende regio's van de protoplanetaire schijven rond drie pasgeboren sterren, slechts een paar miljoen jaar oud, nu zien dat het stof dichtbij de ster is veel meer verwerkt dan het stof in de buitenste schijfgebieden. In twee sterren (HD 144432 en HD 163296) is het stof in de binnenste schijf redelijk verwerkt, terwijl het stof in de buitenste schijf bijna ongerept is. In de derde ster (HD 142527) wordt het stof in de hele schijf verwerkt. In het centrale gebied van deze schijf is het extreem verwerkt, consistent met volledig kristallijn stof.
Een belangrijke conclusie uit de VLTI-waarnemingen is dan ook dat de bouwstenen voor aardachtige planeten vanaf het begin aanwezig zijn in circumstellaire schijven. Dit is van groot belang omdat het aangeeft dat planeten van het aardse (rotsachtige) type zoals de aarde waarschijnlijk vrij algemeen voorkomen in planetaire systemen, ook buiten het zonnestelsel.
De ongerepte kometen
De huidige observaties hebben ook implicaties voor de studie van kometen. Sommige - misschien wel alle - kometen in het zonnestelsel bevatten zowel ongerept (amorf) als verwerkt (kristallijn) stof. Kometen werden zeker gevormd op grote afstanden van de zon, in de buitenste delen van het zonnestelsel waar het altijd erg koud is geweest. Het is daarom niet duidelijk hoe verwerkte stofkorrels in kometen terecht kunnen komen.
Volgens één theorie wordt verwerkt stof door de turbulentie in de vrij dichte circumsolaire schijf naar buiten getransporteerd van de jonge zon. Andere theorieën beweren dat het verwerkte stof in kometen gedurende een veel langere tijd lokaal in de koude gebieden werd geproduceerd, misschien door schokgolven of bliksemschichten in de schijf, of door frequente botsingen tussen grotere fragmenten.
Het huidige team van astronomen concludeert nu dat de eerste theorie de meest waarschijnlijke verklaring is voor de aanwezigheid van verwerkt stof in kometen. Dit houdt ook in dat de kometen met een lange periode die ons soms bezoeken vanuit de buitenste regionen van ons zonnestelsel, werkelijk ongerepte lichamen zijn, die teruggaan tot een tijdperk waarin de aarde en de andere planeten nog niet waren gevormd.
Studies van dergelijke kometen, vooral wanneer ze in situ worden uitgevoerd, zullen daarom directe toegang bieden tot het originele materiaal waaruit het zonnestelsel is gevormd.
Meer informatie
De resultaten die in deze ESO PR worden gerapporteerd, worden in meer detail gepresenteerd in een onderzoekspaper "De bouwstenen van planeten binnen het" terrestrische "gebied van protoplanetaire schijven", door Roy van Boekel en co-auteurs (Nature, 25 november 2004). De waarnemingen zijn gedaan tijdens ESO's demonstratieprogramma voor vroege wetenschap.
Opmerkingen
[1]: Dit ESO-persbericht is uitgegeven in samenwerking met het Astronomical Institute van de Universiteit van Amsterdam, Nederland (NOVA PR) en het Max-Planck-Institut f? R Astronomie (Heidelberg, Duitsland (MPG PR).
[2]: Het team bestaat uit Roy van Boekel, Michiel Min, Rens Waters, Carsten Dominik en Alex de Koter (Astronomical Institute, Universiteit van Amsterdam, Nederland), Christoph Leinert, Olivier Chesneau, Uwe Graser, Thomas Henning, Rainer K ? hler en Frank Przygodda (Max-Planck-Institut f? r Astronomie, Heidelberg, Duitsland), Andrea Richichi, Sebastien Morel, Francesco Paresce, Markus Sch? ller en Markus Wittkowski (ESO), Walter Jaffe en Jeroen de Jong (Sterrewacht Leiden Nederland), Anne Dutrey en Fabien Malbet (Observatoire de Bordeaux, Frankrijk), Bruno Lopez (Observatoire de la Cote d'Azur, Nice, Frankrijk), Guy Perrin (LESIA, Observatoire de Paris, Frankrijk) en Thomas Preibisch (Max -Planck-Institut f? R Radioastronomie, Bonn, Duitsland).
[3]: Het MIDI-instrument is het resultaat van een samenwerking tussen Duitse, Nederlandse en Franse instituten. Zie ESO PR 17/03 en ESO PR 25/02 voor meer informatie.
Oorspronkelijke bron: ESO-persbericht
