Kraamkamers voor planeten en sterren

Michel Uphoff

Een T-Tauri ster (klik) is erg jong. Zo jong dat in haar kern nog geen fusieproces op gang is gekomen, ze is als het ware nog een foetus. Toch is het oppervlak van zo'n protoster even heet als dat van onze Zon, omdat er bij het ineenstorten van de gaswolk in het centrum, waar de nieuweling net ontstaan is, enorm veel kinetische energie vrijkomt die omgezet wordt in warmte.

T-Tauri sterren verschuilen zich in het centrum van de wolk waardoor ze in zichtbaar licht vaak slecht te zien zijn. In die wolk moeten zich ooit protoplaneten gaan vormen; de onderlinge zwaartekracht trekt kleine gas- en stofdeeltjes samen tot klontjes ter grootte van een zandkorrel, die langzaam aaneengroeien tot steeds grotere ballen ruimtepuin tot er planetisimalen gevormd worden. Die planetisimalen zullen talloze malen botsen en door de daarbij vrijkomende hitte uiteindelijk samensmelten tot volwaardige planeten.

Hier een Hubble opname van het gebied rond HL Tauri, een babyster van nog geen miljoen jaar oud in het sterrenbeeld de Stier. De pijl wijst naar HL Tauri, grotendeels verscholen in het enorme omhulsel van gas en stof.

: HL Tauri door Hubble.jpg (158.29 KiB) 2285 keer bekeken

HL-Tauri (onder de pijl) door Hubble. Bron: Nasa

HL Tauri staat op 450 lichtjaar van ons vandaan en is met het blote oog niet zichtbaar (magnitude 15). Ze is ongeveer even zwaar als de Zon, maar met een leeftijd van minder dan 1 miljoen jaar veel jonger en nu nog veel groter. De protoster zal de komende miljoenen jaren steeds verder krimpen, totdat de interne druk en temperatuur zover oplopen dat er waterstof gaat fuseren tot helium en er zo een zonachtige ster ontstaat. Hier een afbeelding van zo'n planetaire wolk in een extreem jong stelsel:

: eso1436a.jpg (47.85 KiB) 2285 keer bekeken

Protoplanetaire wolk rond HL-Tauri. Bron: Eso.

Maar, en dat maakt deze afbeelding werkelijk heel bijzonder, dit is geen artist impression. Dit is echt!

De onlangs gereed gekomen Atacama Large Milimeter Array (Alma) heeft deze verbluffende afbeelding geconstrueerd uit vele metingen aan de gigantische moleculaire wolk rond HL Tauri, en het detail is meer dan indrukwekkend. Duidelijk zichtbaar zijn een achttal donkere banden die de banen aangeven van planetisimalen die bezig zijn d.m.v. hun zwaartekracht hun baan rond de ster schoon te vegen. In deze donkere banden is het door de ster verwarmde gas en stof deels verdwenen, opgezogen door de protoplaneet. Klik op de afbeelding voor een grotere weergave, en laat tot je doordringen wat voor een uitzonderlijk beeld je hier ziet.

: eso1436a2.jpg (222.95 KiB) 2285 keer bekeken

De acht protoplaneetbanen die Alma heeft ontdekt. Bron: Eso

Een werkelijk indrukwekkende demonstratie van de power van Alma, het grootste astronomische observatorium ter wereld.
Alma (zie ook dit bericht) bestaat uit 66 'radio' schotels 5 km hoog op een vlakte in de Atacama woestijn in Chili. Omdat de schotels werken met millimetergolven kan Alma door gas- en stofwolken heen kijken en ons laten zien wat tot voor kort onmogelijk was. Deze opname is gemaakt met nagenoeg de grootste 'baseline' van de schotels. De schotels kunnen dicht bij elkaar gezet worden voor 'groothoek' opnames, maar ook tot 16 kilometer van elkaar geplaatst worden voor de krachtigste vergrotingen die op dit moment mogelijk zijn. Het oplossend vermogen bij deze opname was 35 milli-boogseconden.

: alma.jpg (94.44 KiB) 2284 keer bekeken

Stukje Alma bij nacht.
Niet alleen is de afbeelding verbluffend en overtreft hij de verwachtingen ruimschoots, maar de ontdekking dat zo snel na het vormen van een protoster er al planeetvorming is verrast de astronomen. Tot aan deze opname werd aangenomen dat het vele miljoenen jaren zou duren voor dit proces op gang zou komen. Mogelijk kijken we hier echter naar een uitzondering. Is dat niet het geval dan zal een aantal theorieën moeten worden herzien of kunnen de prullenbak in gaan. "Deze ene opname kan een revolutie in de theorieën over planeetvorming teweegbrengen" aldus Catherine Vlahakis, Lead Program Scientist voor de ALMA Long Baseline Campaign.

Hier een filmpje van Eso waarin op basis van opnamen van sterrenwachten, de Hubble ruimtetelescoop en uiteindelijk de opname van Alma steeds dieper ingezoomd wordt op deze pasgeboren ster en de omringende kraamkamer van planeten.

Michel Uphoff

Een paar dagen geleden werd in een paper van Shigehisa Takakuwa en zijn team (zie bijlage) de observatie van het ontstaan van een dubbelster behandeld. Wederom laat Alma haar 'spierballen' zien met een opname van de dubbelster L1551 NE in wording. Deze protosterren staan 460 lichtjaar van ons af in het sterrenbeeld 'de Stier'. Nog nooit zijn de eigenschappen en de dynamiek van de materie in een protostellaire wolk in zulk detail waargenomen. Van enkelvoudige sterren is vrij goed bekend hoe ze uit een materiewolk ontstaan, maar bij dubbelsterren is het ontstaansproces een stuk minder duidelijk. Meer dan de helft van alle sterren in de Melkweg is onderdeel van een dubbelster.

Alma was in staat om de structuur en de rotatie van de wolk van stof en moleculaire gassen vast te stellen, een primeur bij dubbelsterren. Alma mat op een golflengte van 0,9 mm de snelheid van koolmonoxide in de wolk, en toonde aan dat het gas dichter bij de sterren een lagere rotatiesnelheid heeft, waardoor de materie naar beide sterren in wording kan vallen. Alma kon ook aantonen dat in de wolk spiraalarmen aanwezig zijn die beide sterren 'voeden'. De wolk is ongeveer 10 keer zo groot als de baan van Neptunus. Dit soort waarnemingen zullen ons inzicht in het vormingsproces van dubbelsterren in 'circumbinary disks' sterk vergroten. Overigens werd de waarneming al in 2012 gedaan, toen 'slechts' 25 van de 66 disks van Alma beschikbaar waren. De huidige configuratie (zie ook het eerste bericht) moet tot een beduidend hogere resolutie kunnen komen.

: 1412takakuwa_l1551ne_01.jpg (31.08 KiB) 2285 keer bekeken

ALMA-waarneming van de baby-dubbelster L1551 NE. Bron: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/Takakuwa et al.

De astronomen hebben de gegevens ingevoerd in de supercomputer van het National Astronomical Observatory of Japan om te bezien of uit de daaruit volgende simulatie een overeenkomstig beeld verkregen werd. In onderstaande afbeelding links het Alma beeld en rechts de uitkomst van het model.

: 1412takakuwa_l1551ne_02en.jpg (51.24 KiB) 2285 keer bekeken

Waarneming en simulatie. Bron: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/Takakuwa et al.

Op basis van de waarnemingen en het model komt het team tot de volgende schematische weergave van het systeem:

: L1551NE schema.jpg (123.4 KiB) 2285 keer bekeken

Bron: Takakuwa et al.

De simulatie is ook op Youtube geplaatst:

Wetenschappelijk paper:

Protostellar System L1551 NE.pdf: (3.01 MiB) 190 keer gedownload

Michel Uphoff

Nieuwe waarnemingen van de protoplanetaire wolk rond HL Tauri (zie eerste bericht), hebben in de eerste stofring structuren aangetoond die duiden op een voorstadium van protoplaneten.

De kern en de eerste stofring zijn dermate compact dat Alma bij 1 mm golflengte onvoldoende structuurdetails kan vinden. De Karl G. Jansky Very Large Array, een groep van 27 stuks 25 meter schotels in New Mexico die op 7 mm golflengte kan observeren, heeft een beter doordringend vermogen.

: USA_NM_VeryLargeArray_02.jpg (71.25 KiB) 2285 keer bekeken

Een stukje van de Karl G. Jansky Very Large Array

Carlos Carrasco-González et al hebben een paper (zie bijlage) uitgebracht met hun bevindingen. Het meest in het oog springend is een vrijwel bolvormige wolk die zich los schijnt te maken van de rest van de ring; waarschijnlijk ontstaat hier een protoplaneet uit.

: HL-Tauri_zoom_NRAO_1200x753.jpg (156.19 KiB) 2285 keer bekeken

De wolk bevat naar schatting 3 tot 8 aardmassa's aan materie en zou het voorstadium van een rotsachtige planeet zijn.

De iconische opname van Alma nu aangevuld met een detailopname door de VLA zijn de allereerste beelden van het ontstaansproces van een planetenstelsel en een protoplaneet.

Meer lezen: klik

Wetenschappelijk paper:

The VLA view of the HL Tau Disk.pdf: (9.45 MiB) 235 keer gedownload

Michel Uphoff

In het sterrenbeeld de Stier (Taurus) bevindt zich op een afstand van 450 lichtjaar een grote wolk stof en gas.
In zichtbaar licht is het niet veel meer dan een donkere plek aan de hemel, het gas en stof van deze moleculaire wolk laat het licht van achter (en eventueel in) de wolk gelegen sterren niet door:

: Taurus_constellation_David_Malin.jpg (144.3 KiB) 2284 keer bekeken

Bron: David Malin.

In het infrarood echter wordt de warmtestraling die deze wolk uitzendt zichtbaar, zoals in een opname gemaakt door de inmiddels buiten gebruik geraakte IR telescoop Herschel van ESA. De sensoren van Herschel werden door vloeibaar helium zeer sterk afgekoeld, zodat de warmtestraling van de koele wolk waargenomen kon worden. In het diepe infrarood ziet de wolk en een stuk dramatischer uit, hier de opname van een deel van de wolk (14 bij 16 lichtjaar groot):

: Taurus in IR.jpg (76.6 KiB) 2284 keer bekeken

Bron: Esa. Klik voor vergroting.

De gloed van het kosmische stof in deze wolk verraadt allerhande patronen en verdichtingen; de kraamkamers van sterren. In de Taurus wolk worden op dit moment naar schatting 400 sterren geboren, maar uit het zicht gehouden door de dichte stofwolk.

Op nog wat grotere golflengten, zo rond de 1 mm is de verduisterende werking van het gas en stof nog minder; het terrein van de Atacama Large Millimeter Array (ALMA) in noord Chili. Alma is met zijn 66 schotels nu nog het grootste astronomische observatorium ter wereld maar zal naar verwachting overtroffen gaan worden door de Square Kilometer Array (SKA) in Zuid-Afrika en Australië, waarover later wat meer informatie. ALMA heeft met zijn hoge 'doordringend en oplossend vermogen' een aantal pasgeboren sterren onderzocht, en bij nog 32 van hen een protoplanetaire schijf waargenomen. Zie het openingsbericht voor de eerste waarneming. In 12 van deze schijven werd een substructuur vastgesteld, teken dat het daarin tot planeetvorming is gekomen.

Het onderzoek dat is uitgevoerd door Feng Long et al maakte gebruik van ongeveer de helft van de ALMA schotels in een opstelling die tot een oplossend vermogen van 0,12 boogseconden kwam. Hier de 12 schijven zoals deze geconstrueerd zijn uit de waarnemingsdata:

: Image1.jpg (49.1 KiB) 2284 keer bekeken

Bron: Fong et Al (zie bijlage). Klik voor vergroting.

Hier grafiekjes (in dezelfde volgorde) van de waarnemingen, in dit geval de intensiteit gemeten over de lange as van de ellipsen:

: Image2.jpg (66.56 KiB) 2284 keer bekeken

Bron: Fong et Al (zie bijlage). Klik voor vergroting.

De planeten zelf waarnemen is helaas op deze afstand volstrekt onmogelijk. Het 50 AU (Astronomical Units) maatlijntje dat in iedere afbeelding is opgenomen geeft ongeveer de grootste afstand van Pluto tot de Zon weer; deze protoplanetaire schijven zijn dus van enorme omvang.
De wetenschappers trekken uit deze waarnemingen de conclusie dat de donkere en lichte banden in deze protoplanetaire nevels het best kunnen worden verklaard door middelzware planeten variërend in massa van ongeveer 4 keer die van de Aarde tot de massa van Neptunus.
Over het vormingsmechanisme van de ringen bestaan nogal wat theorieën. Een ervan is dat de ringen zich kunnen beginnen te vormen bij de condensatiefronten van diverse stoffen als stikstof en koolmonoxide, daar waar de afstand tot de centrale ster in wording en daarmee de temperatuur zodanig is dat de stoffen gaan bevriezen. Deze waarnemingen wijzen daar echter niet op.

Wetenschappelijk paper:

GAPS AND RINGS IN AN ALMA SURVEY OF DISKS IN THE TAURUS STAR-FORMING REGION.pdf: (2.44 MiB) 116 keer gedownload

Michel Uphoff

Nog geen week nadat bovenstaand onderzoek gepubliceerd werd, is er al weer een nieuw en zeer uitgebreid onderzoek aan protoplanetaire nevels m.b.v. het Alma observatorium uitgekomen. Van nog eens 20 jonge sterren is de wolk van gas en stof in beeld gebracht door een groot team van wetenschappers:

: The Disk Substructures at High Angular Resolution Project (DSHARP).jpg (124.43 KiB) 2284 keer bekeken

Bron: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), klik voor vergroting.

Vier van de opnamen zijn extra opvallend (zie afbeelding):

Bij de 1 miljoen jaar jonge ster AS209, die op 400 lichtjaar van de Zon staat, blijkt het naast in een compacte wolk dichter bij de ster ook op zeer grote afstand (tot 4 keer verder dan de planeet Neptunus) ook nog tot planeetvorming te komen, getuige twee smalle ringen op die afstand.
Bij HD 143006 die ongeveer 5 miljoen jaar oud is, is linksonder in de buitenste stofring een duidelijke verdikking waarneembaar, wellicht dat zich daar een groot aantal kometen aan het vormen is.
De wolk rond IM Lup vertoont een duidelijke spiraalstructuur, mogelijk worden de stofringen hier verstoord door een zware planeet.
En tenslotte laat de dubbelster AS 205 zien dat het bij elk van de sterren tot de vorming van een protoplanetaire nevel met een waarneembare substructuur komt. Dit is belangrijk omdat ongeveer de helft van de sterren in de Melkweg onderdeel van een meervoudig sterrensysteem is.

Het onderzoek wijst er op dat gezien de jonge leeftijd van de moedersterren het al zeer vroeg tot planeetvorming komt, tot binnen een miljoen jaar. De huidige modellen voorspellen 10 tot 100 miljoen jaren. Verder wijst dit onderzoek er op, dat zware planeten (vergelijkbaar met de massa van Neptunus en Saturnus) tot op zeer grote afstand van de moederster kunnen ontstaan.

Was het met de iconische opname van HL Tauri (zie openingsbericht) nog niet zeker of er toevallig naar een afwijkend systeem werd gekeken; de ster leek veel te jong voor duidelijk waarneembare planeetvorming, en sommige ringen lagen wel erg ver van de ster weg; nu met deze reeks aan opnamen lijkt wat er bij HL Tauri gezien werd toch meer de regel dan de uitzondering te zijn.

Een aantal hypotheses over de vorming van planetenstelsels rond sterren zal op grond van dit onderzoek mogelijk in de prullenbak belanden en andere zullen sterk moeten worden aangepast.

Het zeer uitgebreide onderzoek wordt binnenkort gepubliceerd in een special uitgave van Astrophysical Journal Letters. Hieronder de 10 pre-prints voor hen die niet willen wachten: