Astronomen hebben voor het eerst manen ontdekt die zich vormen in de puinschijf rond een grote exoplaneet. Astronomen vermoeden al lang dat grotere planeten - zoals Jupiter in ons eigen zonnestelsel - zo hun manen krijgen. Het gebeurt allemaal rond een zeer jonge ster genaamd PDS 70, ongeveer 370 lichtjaar verwijderd in het sterrenbeeld Centaurus.
"Voor het eerst kunnen we definitief de veelbetekenende tekenen van een circumplanetaire schijf zien ..."
Andrea Isella, hoofdauteur, Rice University
De geaccepteerde theorie over hoe planeten zich vormen, wordt de nevelhypothese genoemd. Het begint allemaal met de vorming van een ster in een enorme gaswolk die een gigantische moleculaire wolk (GMC) wordt genoemd. Terwijl de ster zich vormt, wordt de wolk gevormd tot een roterende afgeplatte schijf van gas en stof die een protoplanetaire schijf of circumstellaire schijf wordt genoemd. Materie begint samen te smelten tot klonten op deze schijf en deze klonten veranderen in planeten.
Als de massa van een planeet die zich in de schijf vormt groter wordt dan ongeveer 10 aardmassa's, gebeurt er iets anders. Door zijn massa opent die planeet een gat in de protoplanetaire schijf. Terwijl materiaal door die opening gaat, kan het dicht genoeg bij de planeet komen dat de zwaartekracht van de planeet de zwaartekracht van de gastster domineert. Dat materiaal zit dan gevangen in een circumplanetaire schijf (CPD) die rond de planeet draait, als een schijf in een schijf.
Veel van het materiaal binnen een circumplanetaire schijf wordt geaccreteerd in de vormende planeet. Maar niet alles. Dezelfde krachten die planeten hebben gemaakt uit de circumstellaire schijf gaan aan het werk. Ze kunnen manen creëren uit het materiaal dat in de schijf rond de planeet draait.
Nu heeft een team van astronomen deze circumplanetaire schijf en manen die zich erin vormen voor het eerst gezien.
De hoofdauteur van de studie die deze bevindingen beschrijft, is Andrea Isella, een astronoom aan de Rice University in Houston, Texas. De bevindingen zijn gepubliceerd in The Astrophysical Journal letters en hebben de titel 'Detectie van continuüm submillimeter-emissie geassocieerd met kandidaat-protoplaneten'.
"Planeten worden gevormd uit schijven van gas en stof rond nieuw gevormde sterren, en als een planeet groot genoeg is, kan hij zijn eigen schijf vormen terwijl hij materiaal verzamelt in zijn baan rond de ster," zei Isella. "Jupiter en zijn manen zijn bijvoorbeeld een klein planetair systeem binnen ons zonnestelsel, en men geloofde dat de manen van Jupiter gevormd waren uit een circumplanetaire schijf toen Jupiter nog heel jong was."
Het gebeurt allemaal rond de ster PDS 70. Die ster was ongeveer een jaar geleden in het nieuws toen astronomen het allereerste beeld van een nieuw gevormde planeet in een circumstellaire schijf vastlegden. Die planeet heet PDS 70b. Die ontdekking was destijds niet voor niets groot nieuws.
PDS 70b is niet de enige planeet die in een baan om de ster draait. Er is een andere planeet, PDS 70c, ook in een baan om de aarde, en ze zijn beide gasreuzen. Beide planeten werden gedetecteerd door de Very Large Telescope (VLT) van de European Southern Observatory (ESO) in optisch en infrarood. De warme gloed van waterstof die in het paar planeten drong, gaf ze weg.
Het team combineerde de VLT-waarnemingen met nieuwe radio-waarnemingen van de Atacama Large Millimeter / sub-Millimeter Array (ALMA.). Het resultaat is overtuigend bewijs van een protoplanetaire schijf rond de buitenste ster, PDS 70c.
"Voor het eerst kunnen we definitief de veelbetekenende tekenen zien van een circumplanetaire schijf, die helpt bij het ondersteunen van veel van de huidige theorieën over planeetvorming", zegt Andrea Isella, hoofdauteur.
"Door onze waarnemingen te vergelijken met de infrarood- en optische beelden met hoge resolutie, kunnen we duidelijk zien dat een anders raadselachtige concentratie van kleine stofdeeltjes in feite een schijf van stof is die op de planeet ligt, het eerste dergelijke kenmerk dat ooit definitief is waargenomen", zei hij. Volgens de onderzoekers is het ook voor het eerst dat een planeet duidelijk te zien is in deze drie verschillende lichtbanden.
Een vraag beantwoord, een andere vraag
PDS 70b en c vertonen verschillende kenmerken en het team achter deze studie weet niet precies wat het allemaal betekent.
"Wat dit is en wat het betekent voor dit planetaire systeem is nog niet bekend."
Andrea Isella, hoofdauteur, Rice University
PDS 70c, de buitenste ster van het paar, is even ver van zijn ster verwijderd als Neptunus van de zon verwijderd is. Het bevindt zich op exact dezelfde locatie als een duidelijke stofknoop in de ALMA-gegevens. Omdat deze planeet zo helder schijnt in de infrarood- en waterstofbanden van licht, kunnen de astronomen overtuigend zeggen dat daar al een volledig gevormde planeet in een baan om de aarde is. De heldere infrarood- en waterstofbanden laten zien dat gas in de buurt nog steeds wordt geaccumuleerd op het oppervlak van de planeet, waardoor de groeispurt van de puberteit wordt beëindigd.
Astronomen schatten dat PDS 70c ongeveer 1 tot 10 keer de massa van Jupiter is. "Als de planeet aan de grotere kant van die schatting staat, is het heel goed mogelijk dat er manen ter grootte van een planeet omheen worden gevormd", merkte Isella op.
Maar PDS 70b heeft nog iets anders aan de hand. Op die planeten, die ongeveer even ver van de ster verwijderd zijn als Uranus, van de zon, is een massa stof achtergebleven als een staart. En de astronomen weten niet zeker hoe het past.
"Wat dit is en wat het betekent voor dit planetaire systeem is nog niet bekend", zei Isella. 'Het enige sluitende dat we kunnen zeggen, is dat het ver genoeg van de planeet verwijderd is om een onafhankelijk kenmerk te zijn.'
Astronomen zijn er vrij zeker van dat het proces dat ze rond PDS 70c kunnen zien, hetzelfde proces is dat werkte om de manen van Jupiter te creëren. Het is echter vermeldenswaard dat de andere gasreus van ons zonnestelsel anders is dan Jupiter. De manen van Saturnus zijn waarschijnlijk gemaakt als gevolg van een circumplanetaire schijf, maar de ijzige ringen zijn waarschijnlijk veroorzaakt door kometen en andere rotsachtige lichamen die tegen elkaar botsten.
Deze exoplanetaire systemen zijn notoir moeilijk waar te nemen in optisch en infrarood licht. De energie van de ster in die delen van het spectrum overstemt het licht van planeten. Maar niet voor ALMA.
ALMA richt zich op radiogolven en sterren zenden slechts zwak radiogolven uit. Het team zegt dat ze samen met ALMA het PDS 70-systeem kunnen blijven observeren om te zien hoe het verandert en zich ontwikkelt.
"Dit betekent dat we op verschillende tijdsperioden terug kunnen komen naar dit systeem en gemakkelijker de baan van de planeten en de stofconcentratie in het systeem in kaart kunnen brengen", concludeerde Isella. "Dit geeft ons een uniek inzicht in de orbitale eigenschappen van zonnestelsels in hun allereerste ontwikkelingsstadia."
De ontdekking van deze circumplanetaire schijf en de mogelijke manen die zich daarin vormen, zijn op zich interessant, maar de manier waarop het team de schijf heeft gevonden, is ook veelbelovend voor de toekomst. Hoewel er andere zijn gevonden, is deze studie het meest overtuigend.
"Er zijn een handvol kandidaat-planeten gedetecteerd in schijven, maar dit is een heel nieuw veld en ze worden nog steeds besproken", zei Isella. "(PDS 70 b en PDS 70 c) behoren tot de meest robuuste omdat er onafhankelijke waarnemingen zijn geweest met verschillende instrumenten en technieken."
In de conclusie van hun paper zeggen de auteurs: "We beweren dat optische, NIR- en (sub) millimeter-waarnemingen zeer complementair zijn omdat ze verschillende aspecten van planeetaanwasprocessen onderzoeken en worden beïnvloed door verschillende systematische fouten." Ze merken ook op dat ALMA alleen het werk niet kan doen. Door de verschillende waarnemingen te combineren, hebben ze deze exoplaneten en hun schijven geopend voor meer gedetailleerd onderzoek.
Uit de studie: “Aangezien ALMA en bestaande optische telescopen hun volledige beeldvormingscapaciteit bereiken, kunnen aanstaande waarnemingen van nabijgelegen circumstellaire schijven die worden gekenmerkt door holtes en openingen zoals waargenomen in PDS 70, meer pasgeboren planeten onthullen die interactie hebben met hun geboorteschijf. Dergelijke observaties zijn fundamenteel voor het onderzoeken van de processen die verantwoordelijk zijn voor de vorming van planetaire systemen. ”
Bronnen:
- Persbericht: 'Maanvormende' circumplanetaire schijf ontdekt in verre sterrenstelsel
- Persbericht: Maanvormende schijf ontdekt rond verre planeet
- Onderzoekspaper: Detectie van continuüm submillimeter-emissie geassocieerd met kandidaat-protoplaneten
