ALMA werpt licht op planeet-vormende gasstromen

Astronomen hebben met behulp van de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) een cruciaal stadium in de geboorte van reuzenplaneten waargenomen: enorme gasstromen die een leemte in de materieschijf rond een jonge ster overbruggen. Vermoed wordt dat zulke stromen, die nog nooit eerder rechtstreeks zijn waargenomen, worden veroorzaakt door grote planeten die aangroeien door gas uit hun omgeving op te slokken. Dit resultaat wordt op 2 januari 2013 gepubliceerd in het tijdschrift Nature.

Het internationale team van astronomen onderzocht de jonge ster HD 142527, meer dan 450 lichtjaar van de aarde, die omringd is door een schijf van gas en kosmisch stof – het restant van de wolk waaruit de ster is ontstaan. De stofschijf is verdeeld in een binnen- en een buitendeel, die door een lege zone van elkaar gescheiden zijn. Vermoed wordt dat deze leemte is schoongeveegd door pas gevormde reuzenplaneten die om de ster cirkelen.

Het binnenste deel van de schijf heeft een omtrek die overeenkomt met de omloopbaan van Saturnus in ons eigen zonnestelsel. Het buitenste deel begint op een veertien keer zo grote afstand van de ster. Die ‘buitenschijf’ omringt de ster niet volledig: hij heeft de vorm van een hoefijzer, vermoedelijk door de zwaartekrachtsinvloed van de reuzenplaneten.

Volgens de theorie danken reuzenplaneten hun groei aan het invangen van gas uit de buitenschijf. Dat gebeurt in stromen die de leemte in de schijf overbruggen.

‘Astronomen hebben voorspeld dat zulke stromen moeten bestaan, maar dit is voor het eerst dat we ze rechtstreeks hebben kunnen waarnemen,’ zegt Simon Casassus (Universidad de Chile, Chili), die het nieuwe onderzoek leidde. ‘Dankzij de nieuwe ALMA-telescoop hebben we directe waarnemingen kunnen doen die licht werpen op de huidige theorieën omtrent de vorming van planeten!’

Casassus en zijn team gebruikten ALMA om, gedetailleerder dan met eerdere telescopen van dit type mogelijk was, het gas en stof rond de ster te bekijken. ALMA, die straling van submillimeter-golflengten detecteert, is ongevoelig voor de gloed van de ster, waar zichtbaarlicht- en infraroodtelescopen hinder van ondervinden. Het bestaan van de leemte in de stofschijf was al bekend, maar nu hebben de astronomen ontdekt dat er in die lege zone ijl gas is achtergebleven en dat er op twee plaatsen dichter gas van de buitenschijf naar de binnenschijf stroomt.

‘We denken dat er in beide stromen een reuzenplaneet schuilgaat, die tevens de oorzaak van de gasstroom is. Deze planeten groeien door een deel van het gas van de buitenschijf te bemachtigen. Maar het zijn nogal slordige eters: een deel van het gas schiet zijn doel voorbij en komt in de binnenschijf terecht,’ zegt teamlid Sebastián Pérez (ook Universidad de Chile).

De waarnemingen beantwoorden ook een ander vraagstuk omtrent de schijf rond HD 142527. Omdat de centrale ster nog steeds aangroeit door materie uit de binnenschijf in te vangen, zou dit deel van de schijf allang verorberd zijn als het niet op de een of andere manier was aangevuld. Het team heeft ontdekt dat er precies voldoende restgas naar de binnenschijf stroomt om deze aan te vullen en de groeiende ster te voeden.

Een andere primeur is de detectie van het ijle gas in het lege tussengebied. ‘Astronomen hebben lang naar dit gas gezocht, maar tot nu toe hadden we alleen indirect bewijs voor het bestaan ervan. Met ALMA hebben we dit gas nu rechtstreeks waargenomen,’ aldus de uitleg van Gerrit van der Plas, een ander teamlid van de Universidad de Chile.

Ook dit overgebleven gas vormt een bewijs dat de gasstromen door reuzenplaneten worden veroorzaakt, en niet door nog grotere objecten, zoals een begeleidende ster. ‘Een tweede ster zou helemaal geen gas in de lege zone hebben achtergelaten. Door de hoeveelheid achtergebleven gas te onderzoeken, kunnen we wellicht de massa’s bepalen van de objecten die het gas hebben geruimd,’ vult Pérez aan.

En de planeten zelf? Casassus legt uit dat het feit dat zijn team deze niet rechtstreeks heeft kunnen detecteren, hem niet verrast. ‘We hebben met geavanceerde infraroodinstrumenten op andere telescopen naar de planeten gezocht. Maar we verwachten dat deze planeten-in-wording nog diep in de vrijwel ondoorzichtige gasstromen ingebed zijn. Daarom lijkt de kans klein dat zij rechtstreeks kunnen worden waargenomen.’

Toch willen de astronomen, middels verder onderzoek van de gasstromen en het ijle gas, proberen om meer te weten komen over de vermoedelijke planeten. De ALMA-telescoop is nog in aanbouw en nog niet op volle sterkte. Als hij klaar is, zullen zijn beelden nog scherper zijn, en zullen nieuwe waarnemingen van de gasstromen de astronomen wellicht in staat stellen om de eigenschappen van de planeten, met inbegrip van hun massa’s, te bepalen.

Deze artist’s impression toont de schijf van gas en stof rond de jonge ster HD 142527. Astronomen hebben met behulp van de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) enorme gasstromen waargenomen die de leemte in de schijf overbruggen. Vermoed wordt dat zulke stromen, die nog nooit eerder rechtstreeks zijn waargenomen, worden veroorzaakt door reuzenplaneten die aangroeien door gas uit hun omgeving op te slokken.

Bij waarnemingen met de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) van de schijf van gas en stof rond de jonge ster HD 142527 zijn enorme gasstromen ontdekt die de leemte in de schijf overbruggen. Dit zijn de eerste rechtstreekse waarnemingen van deze stromen, die vermoedelijk worden veroorzaakt door reuzenplaneten die aangroeien door gas uit hun omgeving op te slokken

Met kleuren zijn aangegeven: het stof in de buitenschijf (rood), het dichte gas van de gasstromen in de leemte van de schijf en van de buitenschijf (groen) en het diffuse gas in de centrale leemte (blauw). Van rechts en van linksboven stroomt gas vanuit de buitenschijf naar het heldere centrum. Het dichte gas dat is waargenomen is HCO⁺, het diffuse gas is CO. De buitenschijf heeft een middellijn van ongeveer twee lichtdagen. Als dit ons zonnestelsel was, zou de ruimtesonde Voyager 1 – het verst van de aarde verwijderde, door de mens gemaakte object – zich ongeveer aan de binnenste rand van de buitenschijf bevinden.