Universiteit Leiden Universiteit Leiden

Nederlands English

Sneeuwgrens van water in beeld in planeetvormende schijf

Onderzoek met de ALMA-telescoop waaraan ook de Leidse wetenschappers John Tobin en Steven Bos meewerkten, heeft voor het eerst de sneeuwgrens van water binnen een protoplanetaire schijf in beeld gebracht. Publicatie in Nature op 14 juli

Spectaculaire toename helderheid

De sneeuwgrens geeft aan waar de temperatuur in de schijf rond een jonge ster ver genoeg zakt om sneeuw te kunnen vormen. Deze was nog nooit in beeld gebracht. Door een spectaculaire toename van de helderheid van de jonge ster V883 Orionis warmde het binnenste deel van de schijf snel op, waardoor de sneeuwgrens veel verder naar buiten opschoof dan normaal is voor een protoster, en ALMA (de krachtige Atacama Large Millimeter/submillimeter Array in Chili) deze voor het eerst kon waarnemen.

Op zoek naar iets anders

De waarneming kwam als een verrassing; de astronomen waren naar iets anders op zoek. Eerste auteur Lucas Cieza (Universidad Diego Portales, Santiago, Chili) legt uit: ‘Ons onderzoek was opgezet om tekenen van schijffragmentatie te vinden – de voorbode van planeetvorming. Die hebben we niet gevonden, maar wel een 40 AE grote ring (ongeveer 6 miljard kilometer of ruwweg de grootte van de omloopbaan van de dwergplaneet Pluto in ons zonnestelsel, red.). Dat illustreert de veelzijdigheid van ALMA, die met spannende resultaten over de brug komt, zelfs als je naar iets anders op zoek bent.’

Rechtstreeks van gas naar vast

Jonge sterren zijn vaak omringd door een dichte, draaiende schijf van gas en stof waaruit planeten kunnen ontstaan: een protoplanetaire schijf. De warmte die een gemiddelde jonge zonachtige produceert, zorgt dat het water binnen de protoplanetaire schijf tot op afstanden van ruwweg drie AE van de ster gasvormig blijft. Dat komt overeen met driemaal de gemiddelde afstand tussen de aarde en de zon, oftewel ongeveer 450 miljoen kilometer. Verder naar buiten gaan watermoleculen, ten gevolge van de extreem lage druk, rechtstreeks over van gasvormige naar vaste toestand en krijgen (stof)deeltjes een manteltje van ijs. Het gebied in de protoplanetaire schijf waar water van een gas in ijs verandert, wordt de sneeuwgrens van water genoemd.

Uitzonderlijk gedrag van ster

Maar de ster V883 Orionis vertoont uitzonderlijk gedrag. Een spectaculaire toename van zijn helderheid heeft de sneeuwgrens doen opschuiven naar een afstand van ongeveer 40 AE. Dankzij deze verre ligging en de hoge resolutie van ALMA bij lange basislijnen hebben de astronomen nu de sneeuwgrens van water in een protoplanetaire schijf voor het eerst rechtstreeks kunnen waarnemen.

Helderder en heter dan de zon

Plotselinge helderheidsuitbarstingen zoals die van V883 Orionis ontstaan wanneer grote hoeveelheden materiaal vanuit de omringende schijf op het oppervlak van de ster belanden. V883 Orionis heeft slechts 30 procent meer massa dan de zon, maar is dankzij de huidige uitbarsting maar liefst 400 keer zo helder – en veel heter.

Sneeuw cruciaal voor vorming planeet

Dat er sneeuw kan bestaan in de ruimte is wellicht een bizarre gedachte, maar dit is cruciaal voor het planeetvormingsproces. De aanwezigheid van waterijs reguleert de efficiency waarmee stofdeeltjes kunnen samenklonteren – de eerste stap naar de vorming van een planeet. Aangenomen wordt dat binnen de sneeuwgrens, waar water verdampt, kleine rotsachtige planeten als de onze ontstaan. Voorbij de sneeuwgrens zorgt de aanwezigheid van waterijs voor de snelle vorming van kosmische sneeuwballen, die uiteindelijk uitgroeien tot zware gasplaneten zoals Jupiter.

Veel voorkomend verschijnsel?

De ontdekking dat stellaire uitbarstingen de sneeuwgrens met ongeveer een factor 10 kunnen doen opschuiven, is van grote betekenis voor de ontwikkeling van goede planeetvormingsmodellen. Vermoed wordt dat de meeste planetenstelsels op enig moment in hun ontwikkeling met zulke uitbarstingen te maken krijgen. Dit zou dus wel eens de eerste waarneming van een veel voorkomend verschijnsel kunnen zijn. In dat geval kan deze ALMA-waarneming een significante bijdrage leveren aan onze kennis van de vorming en ontwikkeling van planeten.