Steruitbarsting brengt sneeuwgrens van water in beeld

De Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) heeft voor het eerst de sneeuwgrens van water binnen een protoplanetaire schijf kunnen onderscheiden. Deze grens geeft aan waar de temperatuur in de schijf rond een jonge ster ver genoeg zakt om sneeuw te kunnen vormen. 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 deze voor het eerst kon worden waargenomen. De resultaten van de waarnemingen worden op 14 juli 2016 gepubliceerd in het tijdschrift Nature.

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 ervoor dat het water binnen de protoplanetaire schijf tot op afstanden van ruwweg 3 AE van de ster gasvormig blijft [1]. Dat komt overeen met driemaal de gemiddelde afstand tussen de aarde en de zon, oftewel ongeveer 450 miljoen kilometer [2]. 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 [3].

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 (ongeveer 6 miljard kilometer of ruwweg de grootte van de omloopbaan van de dwergplaneet Pluto in ons zonnestelsel). Dankzij deze verre ligging en de hoge resolutie van ALMA bij lange basislijnen [4] heeft een team onder leiding van Lucas Cieza (Millennium ALMA Disk Nucleus en Universidad Diego Portales, Santiago, Chili) nu als eerste de sneeuwgrens van water in een protoplanetaire schijf rechtstreeks kunnen waarnemen. 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% meer massa dan de zon, maar is dankzij de huidige uitbarsting maar liefst 400 keer zo helder – en veel heter [5]. Hoofdauteur Lucas Cieza legt uit: ‘De ALMA-waarnemingen kwamen als een verrassing. Onze waarnemingen waren opgezet om naar tekenen van schijffragmentatie te zoeken – de voorbode van planeetvorming. Die hebben we niet gevonden, maar wel een 40 AE grote ring. Dat illustreert de veelzijdigheid van ALMA, die met spannende resultaten over de brug komt, zelfs als je naar iets anders op zoek bent.’

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. 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.

Noten

[1] 1 AE, oftewel één astronomische eenheid, is de gemiddelde afstand tussen de aarde en de zon, die ongeveer 149,6 miljoen kilometer bedraagt. Deze eenheid wordt veel gebruikt om afstanden binnen het zonnestelsel en planetenstelsels rond andere sterren in uit te drukken.

[2] Deze grens lag tijdens de vorming van het zonnestelsel tussen de omloopbanen van de Mars en Jupiter. De rotsachtige planeten Mercurius, Venus, aarde en Mars ontstonden dus binnen deze grens, en de gasachtige planeten Jupiter, Saturnus, Uranus en Neptunus daarbuiten.

[3] Eerder zijn met ALMA al de sneeuwgrenzen waargenomen van andere moleculen, zoals koolstofmonoxide en methaan, die op meer dan 30 AE van de protoster in andere protoplanetaire schijven liggen. Omdat het vriespunt van water bij een relatief hoge temperatuur ligt, ligt de sneeuwgrens van water doorgaans veel te dicht bij de protoster om rechtstreeks waarneembaar te zijn.

[4] Resolutie is het vermogen om objecten van elkaar te kunnen onderscheiden. Voor het menselijk oog vormen een aantal heldere fakkels op grote afstand één heldere vlek; alleen van dichtbij zijn de afzonderlijke fakkels herkenbaar. Hetzelfde principe is van toepassing op telescopen: op de afstand van de V883 Orionis heeft ALMA een resolutie van ongeveer 12 AE. Dat is voldoende om de sneeuwgrens van water op 40 AE van een uitbarstende ster te detecteren, maar niet toereikend om deze grens bij een doorsnee jonge ster te kunnen waarnemen.

[5] Sterren zoals V883 Orionis staan bekend als FU Orionis-sterren, die genoemd zijn naar de eerste ster waarbij dit gedrag is waargenomen. De uitbarstingen van deze sterren kunnen honderden jaren duren.