Astronomen kijken graag naar verre jonge sterren terwijl ze zich vormen. Sterren worden geboren uit een moleculaire wolk, en zodra genoeg van de materie in die wolk samenklontert, ontbrandt fusie en begint een ster zijn leven. Het overgebleven materiaal van de vorming van de ster wordt een circumstellaire schijf genoemd.
Terwijl het materiaal in de circumstellaire schijf rond de nu draaiende ster wervelt, klontert het op tot individuele planeten. Als er planeten in ontstaan, laten ze gaten in die schijf achter. Of dat denken we.
Een van de meest waargenomen jonge sterren heet HL Tauri. Het bevindt zich in het sterrenbeeld Stier en is ongeveer 450 lichtjaar verwijderd. De Atacama Large Millimeter Array (ALMA) heeft in 2014 een bekend beeld van HL Tauri vastgelegd. Dat beeld is het scherpste beeld dat ALMA ooit heeft gemaakt.
Sindsdien hebben astronomen andere jonge sterren waargenomen en ook gaten in hun schijven gevonden. Merk op dat ALMA, zoals de naam al zegt, geen telescoop met zichtbaar licht is. Er zit zoveel gas en stof in circumstellaire schijven dat zichtbaar licht nutteloos is om ze te bestuderen. ALMA observeert in golflengten van licht tussen infrarood- en radiogolven, zodat het in de wervelende schijf van gas en stof kan kijken.
Een nieuwe studie keek naar 18 jonge sterren en hun schijven, en vond bewijs dat 8 van die sterren zogenaamde 'snelheidsknikken' hebben die de aanwezigheid van jonge, nog steeds vormende planeten kunnen signaleren. De studie is getiteld "Negen gelokaliseerde afwijkingen van Kepleriaanse rotatie in de DSHARP Circumstellar Disks: Kinematic Evidence for Protoplanets Carving the Gaps." De hoofdauteur van de studie is Christophe Pinte van de Monash University, Australië en de University of Grenoble Alpes, Frankrijk). Het artikel is gepubliceerd in The Astrophysical Journal Letters.
Hoewel astronomen de gaten in circumstellaire schijven kunnen zien, kunnen ze de planeten niet zien. Na jarenlang te hebben geprobeerd met enkele van 's werelds beste telescopen, hebben astronomen slechts één enkele exoplaneet rechtstreeks in beeld gebracht in een opening rond één ster. Dus hoewel het voor de hand lijkt te liggen dat babyplaneten verantwoordelijk zijn, en er is geen andere manier om ze te vormen, het is nog steeds een onbewezen theorie. Deze nieuwe studie maakt duidelijk dat tenminste een deel van de waargenomen hiaten in circumstellaire schijven wordt veroorzaakt door planeten.
Deze studie gebruikte gegevens van het project Disk Substructures at High Angular Resolution (DSHARP). DSHARP gebruikt ALMA om nabij gelegen heldere circumstellaire schijven (ook wel protoplanetaire schijven genoemd) te bestuderen. Volgens de website is DSHARP "ontworpen om de prevalentie, vormen, locaties, afmetingen en amplitudes van kleinschalige substructuren in de distributies van het schijfmateriaal te beoordelen en hoe ze verband kunnen houden met het proces van planeetvorming."
Er zijn andere verklaringen voor kandidaten voor de hiaten in de schijven. Een daarvan is sneeuwlijnen of vorstlijnen. In een circumstellaire puinschijf is een vrieslijn de afstand tot de ster waar hij koud genoeg is om vluchtige stoffen te laten bevriezen. Dit omvat niet alleen waterijs, maar ook ammoniak, methaan, kooldioxide en andere. Buiten de vrieslijn bevriezen deze stoffen in vaste ijskorrels.
Een andere mogelijke verklaring voor deze hiaten is het sinteren van stofkorrels. Dan verdampt stof door hitte en druk tot een solide structuur, maar zonder te smelten. Een team van wetenschappers onderzocht dat idee in dit artikel.
Andere kandidaten zijn onder meer magneto-hydrodynamische effecten, zonale stromingen en zelfgeïnduceerde stofvangers. Na het ALMA-beeld van 2014 van HL Tauri en zijn ringen, publiceerden onderzoekers een aantal artikelen met bewijs voor al deze mogelijke verklaringen.
Maar geen van hen is zo intrigerend als de uitleg van de babyplaneet. En aangezien we nu weten dat de meeste, zo niet alle, sterren exoplaneten hosten, is het logisch.
ALMA maakt niet alleen foto's van deze jonge sterren en hun puinschijven. Het gebruikt zijn kracht om de gasverdeling in de schijven te bestuderen. De onderstaande afbeelding is van de nieuwe studie. Het vergelijkt de gasverdeling in vijf schijven met snelheidsmetingen van dezelfde schijf.
De kern van deze nieuwe studie zijn de zogenaamde 'snelheidsknikken'.
De circumstellaire puinschijf rond HL Tauri en andere jonge sterren is grotendeels gemaakt van gas en draait. Terwijl het roteert, wordt zijn beweging bepaald door de Kepleriaanse snelheid. Kepleriaanse snelheid beschrijft hoe een schijf materiaal moet bewegen wanneer deze wordt gedomineerd door een massief lichaam in het midden. Maar zoals de afbeelding hierboven laat zien, zitten er knikken in het gas. Volgens de auteurs van het nieuwe artikel zijn deze knikken het bewijs van jonge planeten.
Uit de krant: "Ingebedde planeten verstoren de Kepleriaanse gasstroom in hun omgeving, en veroorzaken spiraalvormige golven bij Lindblad-resonanties zowel binnen als buiten hun banen."
Voor ten minste een van de 20 jonge sterren is de verstoorde stroming het bewijs van grote gasreuzen: “Nauwkeurige metingen van rotatiecurven onthulden bijvoorbeeld radiale drukgradiënten en verticale stromingen, waarschijnlijk aangedreven door gaten die door Jupiter in de gasoppervlaktedichtheid zijn gesneden -massa planeten op de schijf van HD 163296. "
De studie levert veel sterk bewijs ter ondersteuning van protoplaneten. Maar de auteurs erkennen dat er andere oorzaken kunnen zijn. Een daarvan zit in de gegevens zelf.
"Verschillende waarnemingseffecten en fysieke mechanismen kunnen kenmerken in de kanaalkaarten produceren die op snelheidsknikken lijken", zeggen de auteurs. “De meest voor de hand liggende is het reconstructieproces met een lage signaal-ruisverhouding die vaak resulteert in fragmentarische emissie die kan worden aangezien voor knikken. We kunnen niet uitsluiten dat dergelijke artefacten aanwezig zijn in de DSHARP-gegevens ... ”
Maar ze hebben stappen ondernomen om die fouten te elimineren, en aan het einde van hun paper maken ze een aantal samenvattingen:
- "We vonden negen gelokaliseerde (kanaalspecifieke) snelheidsverstoringen die indicatief zijn voor niet-Kepleriaanse beweging in DSHARP-waarnemingen van 8 protoplanetaire schijven, uit de 18 geselecteerde bronnen."
- "De aanwezigheid van ingebedde planeten zou natuurlijk zowel de continuümringen als de afwijkingen van de gassnelheid van de Kepleriaanse rotatie verklaren."
- "Als planeten inderdaad verantwoordelijk zijn voor deze voorlopige snelheidsknikken, zouden ze massa's moeten hebben in de orde van grootte van een Jupiter-massa."
- In verschillende gevallen konden de auteurs geen definitieve conclusies trekken. "... niet-detectie in andere schijven of in andere hiaten in schijven waar we een knik hebben gedetecteerd, betekent niet noodzakelijkerwijs de afwezigheid van Jupiter-massaplaneten."
Dus daar hebben we het. Dit grondige en interessante artikel brengt het idee naar voren dat hiaten in circumstellaire puinschijven inderdaad worden veroorzaakt door babyplaneten.
Naarmate onze waarnemingskracht groeit en telescopen zoals de James Webb en andere operationeel worden, zal het bewijs waarschijnlijk overtuigender worden.
Maar in de wetenschap weet je het pas als je het weet.
Meer:
- Persbericht: Uitgelichte afbeelding: bewijs voor planeten in schijven?
- Research Paper: Negen gelokaliseerde afwijkingen van Kepleriaanse rotatie in de DSHARP-circumstellaire schijven: kinematisch bewijs voor protoplaneten die de gaten verkleinen
- Space Magazine: Kijk naar deze fascinerende verscheidenheid aan planeetvormende schijven rond andere sterren
