Astronomen die de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) gebruiken hebben voor het eerst een opname gemaakt van de sneeuwgrens in een jong planetenstelsel. Op aarde ligt de sneeuwgrens op grote hoogte, waar de temperatuur zo laag is dat het vocht in de lucht in sneeuw verandert. Deze grens is het duidelijkst te zien bij een berg: hij ligt op de plek waar de besneeuwde top overgaat in kaal gesteente.
Voor de sneeuwgrenzen rond jonge sterren geldt iets vergelijkbaars: ze liggen in de verder naar buiten gelegen, koudere delen van de schijven waaruit planetenstelsels ontstaan. Van de ster uit gezien ligt de eerste sneeuwgrens op de plek waar water (H2O) bevriest. Verder naar buiten, waar de temperaturen nog lager zijn, beginnen ook andere moleculen in sneeuw te veranderen, zoals koolstofdioxide (CO2), methaan (CH4) en koolstofmonoxide (CO). Deze verschillende soorten sneeuw geven de aanwezige stofdeeltjes een plakkerige coating en spelen een essentiële rol bij het samenklonteringsproces waar uiteindelijk de bouwstenen van planeten en kometen uit voortkomen. Door de vorming van sneeuw neemt ook de beschikbare hoeveelheid vaste materie toe, wat het planeetvormingsproces drastisch kan versnellen.
Al die verschillende sneeuwgrenzen – van water, koolstofdioxide, methaan en koolstofmonoxide – houden mogelijk verband met de vorming van specifieke soorten planeten [1]. Rond een zonachtige ster in een planetenstelsel als het onze zou de sneeuwgrens van water ergens tussen de banen van Mars en Jupiter liggen, en die van koolstofmonoxide bij de baan van Neptunus. De sneeuwgrens die met ALMA is waargenomen is de eerste glimp van de sneeuwgrens van koolstofmonoxide rond TW Hydrae, een jonge ster op 175 lichtjaar van de aarde. Astronomen denken dat dit planetenstelsel-in-wording veel overeenkomsten vertoont met ons zonnestelsel, toen dit nog maar een paar miljoen jaar oud was.
‘ALMA heeft ons de eerste echte opname gegeven van een sneeuwgrens rond een jonge ster. Dat is heel opwindend, omdat dit ons iets vertelt over een heel vroege periode in de geschiedenis van het zonnestelsel,’ zegt Chunhua ‘Charlie’ Qi (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Cambridge, VS), een van de twee hoofdauteurs van het onderzoeksartikel. ‘We zien nu voor het eerst details in de bevroren buitengebieden van een ander planetenstelsel dat op het onze lijkt.’ De aanwezigheid van koolstofmonoxidesneeuw kan er overigens op wijzen dat het niet bij planeetvorming blijft. Koolstofmonoxide-ijs is nodig voor de vorming van methanol, dat op zijn beurt weer een bouwsteen is van de complexere organische moleculen die essentieel zijn voor het ontstaan van leven. Als kometen deze moleculen naar pas gevormde aardse planeten overbrengen, worden deze planeten voorzien van de bestanddelen die noodzakelijk zijn voor leven.
Tot nu toe waren zulke sneeuwgrenzen nog nooit rechtstreeks in beeld gebracht, omdat ze altijd in het relatief dunne centrale vlak van een protoplanetaire schijf liggen, waardoor hun exacte positie en omvang niet kon worden vastgesteld. Boven en onder dit vlak wordt de ijsvorming gehinderd door de straling van de ster. Alleen in het centrale vlak, dat door de hoge concentraties stof en gas tegen de straling wordt beschermd, kunnen de temperaturen laag genoeg zijn om koolstofmonoxide en andere gassen te laten bevriezen. Dit team van astronomen is er met een trucje in geslaagd om diep in de schijf rond TW Hydrae te kijken. Ze zochten niet naar de sneeuw zelf – die is niet rechtstreeks waarneembaar – maar naar een molecuul dat diazenylium (N2H+) wordt genoemd. Dit molecuul zendt straling uit in het millimetergebied van het spectrum en is dus een perfect doelwit voor een telescoop als ALMA. Op plaatsen waar koolstofmonoxidegas aanwezig is, worden deze moleculen gemakkelijk afgebroken: ze zijn dus alleen waarneembaar in gebieden waar koolstofmonoxide in sneeuw is veranderd en de moleculen met rust worden gelaten. Daarmee verandert de jacht op koolstofmonoxidesneeuw dus in een speurtocht naar diazenylium.
Dankzij ALMA’s unieke gevoeligheid en beeldscherpte konden de astronomen de aanwezigheid van diazenylium aantonen. Daarbij ontdekten ze een scherpe begrenzing op ongeveer dertig astronomische eenheden van TW Hydrae (30 keer de afstand zon-aarde). Dat is precies de afstand waar de temperatuur van het schijfmateriaal zo laag is dat koolstofmonoxide naar verwachting snel bevriest. De binnenrand van de diazenyliumgordel geeft dus de ligging van de sneeuwgrens van koolstofmonoxide aan. ‘Bij deze waarnemingen hebben we slechts 26 van ALMA’s uiteindelijke aantal van 66 antennes gebruikt. Ook bij andere ALMA-waarnemingen zijn al aanwijzingen voor sneeuwgrenzen rond andere sterren gevonden, en we zijn ervan overtuigd dat waarnemingen met de volledige array straks nog veel meer van deze ontdekkingen gaan opleveren en meer inzicht in het ontstaan en de ontwikkeling van planeten zullen verschaffen – daar kun je op wachten,’ besluit Michiel Hogerheijde van de Sterrewacht Leiden.
Noten
[1] Droge, rotsachtige planeten bijvoorbeeld ontstaan dicht bij de ster, dus nog binnen de sneeuwgrens van water, waar alleen stof kan bestaan. Het andere uiterste zijn de ijzige reuzenplaneten die zich voorbij de sneeuwgrens van koolstofmonoxide vormen.
Meer informatie
De Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), een internationale astronomische faciliteit, is een samenwerkingsverband van Europa, Noord-Amerika en Oost-Azië, met steun van de republiek Chili. ALMA wordt in Europa gefinancierd door de Europese Zuidelijke Sterrenwacht (ESO), in Noord-Amerika door de National Science Foundation (NSF) van de VS in samenwerking met de National Research Council van Canada (NRC) en de National Science Council van Taiwan (NSC), en in Oost-Azië door de National Institutes of Natural Sciences (NINS) van Japan in samenwerking met de Academia Sinica (AS) in Taiwan. De bouw en het beheer van ALMA worden namens Europa geleid door ESO, namens Noord-Amerika door het National Radio Astronomy Observatory (NRAO), dat bestuurd wordt door de Associated Universities, Inc. (AUI), en namens Oost-Azië door het National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ). De overkoepelende leiding en het toezicht op bouw, ingebruikname en beheer van ALMA is in handen van het Joint ALMA Observatory (JAO).
De resultaten van dit onderzoek zijn te vinden in een artikel dat op 18 juli 2013 verschijnt in Science Express.
Het onderzoeksteam bestaat uit C. Qi (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, VS), K.I. Öberg (Vakgroepen Chemie en Astronomie, Universiteit van Virginia, VS), D.J. Wilner (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, VS), P. d’Alessio (Centro de Radioastronomía y Astrofisica, Universidad Nacional Autónoma de México, Mexico), E. Bergin (Vakgroep Astronomie, Universiteit van Michigan, VS), S.M. Andrews (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, VS), G.A. Blake (Sectie Geologische en Planetaire Wetenschappen, California Institute of Technology, VS), M.R. Hogerheijde (Sterrewacht Leiden, Universiteit Leiden) en E.F. van Dishoeck (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Duitsland).
Qi en Öberg waren de gezamenlijke hoofdauteurs van dit onderzoek.
ESO is de belangrijkste intergouvernementele astronomische organisatie in Europa en de meest productieve sterrenwacht ter wereld. Zij wordt ondersteund door vijftien landen: België, Brazilië, Denemarken, Duitsland, Finland, Frankrijk, Italië, Nederland, Oostenrijk, Portugal, Spanje, Tsjechië, het Verenigd Koninkrijk, Zweden en Zwitserland. ESO voert een ambitieus programma uit, gericht op het ontwerpen, bouwen en beheren van grote sterrenwachten die astronomen in staat stellen om belangrijke wetenschappelijke ontdekkingen te doen. Ook speelt ESO een leidende rol bij het bevorderen en organiseren van samenwerking op astronomisch gebied. ESO beheert drie waarnemingslocaties van wereldklasse in Chili: La Silla, Paranal en Chajnantor. Op Paranal staan ESO’s Very Large Telescope (VLT), de meest geavanceerde optische sterrenwacht ter wereld, en twee surveytelescopen: VISTA werkt in het infrarood en is de grootste surveytelescoop ter wereld en de VLT Survey Telescope is de grootste telescoop die uitsluitend is ontworpen om de hemel in zichtbaar licht in kaart te brengen. ESO is ook de Europese partner van de revolutionaire telescoop ALMA, het grootste astronomische project van dit moment. Daarnaast bereidt ESO momenteel de bouw voor van de 39-meter Europese Extremely Large optical/near-infrared Telescope (E-ELT), die ‘het grootste oog op de hemel’ ter wereld zal worden.
