De jacht op andere planeten in ons sterrenstelsel is de afgelopen decennia toegenomen, waarbij 3869 planeten worden gedetecteerd in 2886 systemen en nog eens 2898 kandidaten in afwachting van bevestiging. Hoewel de ontdekking van deze planeten wetenschappers veel heeft geleerd over de soorten planeten die in onze melkweg bestaan, is er nog veel dat we niet weten over het proces van planetaire vorming.
Om deze vragen te beantwoorden, heeft een internationaal team onlangs de Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA) gebruikt om het eerste grootschalige onderzoek met hoge resolutie van protoplanetaire schijven rond nabijgelegen sterren uit te voeren. Dit programma staat bekend als de Disk Substructures at High Angular Resolution Project (DSHARP) en leverde beelden met een hoge resolutie op van 20 nabijgelegen systemen waar stof en gas bezig waren nieuwe planeten te vormen.
Hun resultaten werden gedeeld in een reeks van tien artikelen die in een speciale uitgave van verschijnen The Astrophysical Journal Letters. Het verantwoordelijke team bestond uit leden van het Harvard Smithsonian Center for Astrophysics (CfA), de Joint ALMA Observatory en meerdere observatoria, onderzoeksinstituten en universiteiten.
In elk geval merkten de DSHARP-onderzoekers de aanwezigheid op van gaten in de schijf die ver van de centrale ster verwijderd waren en de binnenste en buitenste delen van de schijf leken af te bakenen. De resulterende ringen waren ook dicht opeengepakt of vormden dunnere banden, afhankelijk van hun afstand tot de ster. Deze patronen, zo gaven ze aan, zouden het resultaat kunnen zijn van een ongeziene planetaire metgezel die de schijf verstoort.
Een andere mogelijkheid is dat de schijfstructuren onderhevig zijn aan een wereldwijde instabiliteit die vergelijkbaar is met die in spiraalstelsels (zoals de Melkweg). Volgens de onderzoekers is de meest overtuigende verklaring dat grote planeten (zoals gasreuzen) zich voornamelijk in de buitenste regionen van de schijven vormden, wat zou aangeven dat planeetvorming veel sneller plaatsvindt dan de huidige theorieën over planeetvorming toestaan.
Deze mogelijke verklaring zou ook kunnen helpen verklaren hoe terrestrische planeten (dat wil zeggen rotsachtig en vergelijkbaar met de aarde) die dichter bij hun sterren komen, de vroege stadia van hun vorming kunnen overleven. Sean Andrews, een astronoom bij het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) en een van de leiders * van de ALMA-observatiecampagne, legde het belang van deze bevindingen uit in een NRAO-persbericht:
“Het doel van deze maandenlange observatiecampagne was om te zoeken naar structurele overeenkomsten en verschillen in protoplanetaire schijven. ALMA's opmerkelijk scherpe visie heeft eerder ongeziene structuren en onverwacht complexe patronen onthuld. We zien duidelijke details rond een breed assortiment van jonge sterren van verschillende massa's. De meest overtuigende interpretatie van deze zeer diverse, kleinschalige kenmerken is dat er ongeziene planeten in wisselwerking staan met het schijfmateriaal. ”
Volgens de toonaangevende modellen van planeetvorming worden planeten geboren door de geleidelijke ophoping van stof en gas in een protoplanetaire schijf. Dit begint met stofkorrels die samensmelten tot steeds grotere rotsen tot asteroïden, planesimals en planeten tevoorschijn komen. Dit proces zou miljoenen jaren in beslag nemen, wat betekent dat protoplanetaire schijven in oudere systemen hierdoor meer zichtbaarheid zouden hebben.
Uit vroege observaties van ALMA bleek echter dat veel jonge protoplanetaire schijven goed gedefinieerde structuren hadden, zoals ringen en openingen. Deze kenmerken worden meestal geassocieerd met de aanwezigheid van planeten en werden zelfs gevonden in enkele systemen die slechts een miljoen jaar oud waren. Zoals Jane Huang, een afgestudeerde student bij CfA en lid van het onderzoeksteam, uitlegde:
“Het was verrassend om mogelijke handtekeningen van planeetvorming te zien in de allereerste hoge resolutiebeelden van jonge schijven. Het was belangrijk om erachter te komen of dit afwijkingen waren of dat die handtekeningen veel voorkwamen bij schijven. '
Omdat de vroege sampleset zo klein was, werd de DSHARP-campagne opgezet om andere protoplanetaire schijven te vergelijken. Omdat bekend is dat stofdeeltjes gloeien in de millimetergolflengte, kon het campagneteam de ALMA-array gebruiken om de dichtheidsverdeling van stofgordels rond jonge stersystemen nauwkeurig in kaart te brengen en (afhankelijk van de afstand van de ster) om kenmerken in kaart te brengen als klein als een paar astronomische eenheden.
Uiteindelijk ontdekte het onderzoeksteam dat veel van de substructuren (d.w.z. concentrische openingen en smalle ringen) gemeenschappelijk waren voor bijna alle schijven, terwijl grootschalige spiraalpatronen en boogachtige kenmerken zeldzamer waren. Ze ontdekten ook dat de schijven en hiaten aanwezig waren op een grote afstand van hun gaststerren - van enkele AU's tot meer dan honderd.
Zoals opgemerkt, kunnen deze waarnemingen een blijvend mysterie helpen oplossen als het gaat om theorieën over planeetvorming. Astronomen hebben zich in het bijzonder afgevraagd hoe planeten zich zouden kunnen vormen wanneer de dynamiek van een gladde protoplanetaire schijf ervoor zou zorgen dat elk lichaam met een diameter van meer dan een centimeter in zijn gastheerster zou vallen. Onder die omstandigheden mogen rotsachtige objecten die groter zijn dan een asteroïde niet bestaan.
In wezen zouden de dichte stofringen die het team waarnam, verstoringen in de schijf veroorzaken, wat zones zou kunnen creëren waar planetesimalen veilig zouden zijn en de tijd zouden hebben om uit te groeien tot planeten. Zoals Laura Perez, onderzoeker bij de Universiteit van Chili en lid van het onderzoeksteam, aangaf:
“Toen ALMA zijn mogelijkheden met zijn iconische beeld van HL Tau echt onthulde, moesten we ons afvragen of dat een uitbijter was, aangezien de schijf relatief groot en jong was. Deze laatste waarnemingen laten zien dat, hoewel opvallend, HL Tau verre van ongebruikelijk is en mogelijk de normale evolutie van planeten rond jonge sterren vertegenwoordigt. ”
Dit onderzoek toont de kracht die geavanceerde instrumenten en wetenschappelijke samenwerkingen vandaag hebben. Dankzij het vermogen om meer te zien en verder te zien, kunnen wetenschappers astronomische theorieën als nooit tevoren testen. En daarbij worden onze meest fundamentele opvattingen over hoe het universum is ontstaan, bevestigd en uitgedaagd.
Zorg ervoor dat u geniet van deze animatie van hoe een protoplanetaire schijf eruitziet, met dank aan het NRAO Outreach-programma:
* De andere leiders van de ALMA-waarnemingscampagne zijn Andrea Isella van de Rice University, Laura Pérez van de University of Chile en Cornelis Dullemond van de Heidelberg University.
