Zo worden zonnestelsels gemaakt

Scherpe nieuwe opnamen laten opvallende structuren zien in de planeet-vormende schijven rond jonge sterren. Dankzij het SPHERE-instrument van ESO’s Very Large Telescope is het nu mogelijk om de complexe dynamica van jonge zonnestelsels waar te nemen – in één geval zelfs in realtime. De onlangs gepubliceerde resultaten van drie teams van astronomen laten op indrukwekkende wijze zien hoe goed SPHERE in staat is om vast te leggen welke uitwerking planeten hebben op de schijven waaruit zij geboren worden.

Drie teams van astronomen hebben gebruik gemaakt van SPHERE, een geavanceerd instrument voor de jacht op exoplaneten van de Very Large Telescope (VLT) van de ESO-sterrenwacht op Paranal, om licht te werpen op de raadselachtige evolutie van jonge planetenstelsels. De explosieve toename van het aantal bekende exoplaneten van de afgelopen jaren maakt dit onderzoeksgebied tot een van de meest dynamische onderdelen van de moderne astronomie. We weten inmiddels dat planeten ontstaan uit enorme schijven van gas en stof die rond pasgeboren sterren draaien: zogeheten protoplanetaire schijven. Deze kunnen kunnen afmetingen van honderden miljoenen kilometers bereiken. Mettertijd klonteren de deeltjes in deze schijven samen om uiteindelijk uit te groeien tot planeten. Over de precieze details van dit planeetvormingsproces bestaat echter nog veel onduidelijkheid.

SPHERE is een recente aanwinst in het instrumentenarsenaal van de VLT. Dankzij een combinatie van nieuwe technieken kan dit instrument de fijne details van protoplanetaire schijven rechtstreeks vastleggen [1]. De interactie tussen protoplanetaire schijven en hun planeten-in-wording kan allerlei structuren in de schijven laten ontstaan: enorme ringen, spiraalarmen en donkere leemten. Deze zijn van bijzonder belang, omdat er nog geen eenduidig verband is ontdekt tussen deze structuren en de planeten die hen hebben veroorzaakt. Astronomen willen dit vraagstuk maar al te graag oplossen en de specifieke eigenschappen van SPHERE stellen hen in staat om de opvallende structuren van protoplanetaire schijven direct waar te nemen. Dat is bijvoorbeeld gebeurd bij RXJ1615, een jonge ster in het sterrenbeeld Schorpioen, op 600 lichtjaar van de aarde. Een team onder leiding van Jos de Boer van de Sterrewacht Leiden heeft een complex stelsel van concentrische ringen rond deze ster ontdekt, dat qua vorm (maar niet qua afmetingen!) aan het ringenstelsel van de planeet Saturnus doet denken. Zo’n complexe structuur is nog maar bij een handjevol protoplanetaire schijven waargenomen. Opmerkelijk genoeg lijkt dit specifieke stelsel nog maar 1,8 miljoen jaar oud te zijn en er zijn aanwijzingen dat het planeetvormingsproces nog in volle gang is. De leeftijd van de pas ontdekte protoplanetaire schijf maakt RXJ1615 tot een belangrijk object: de meeste andere protoplanetaire schijven die tot nu toe zijn gedetecteerd zijn namelijk relatief oud of ver geëvolueerd.

Het onverwachte resultaat van De Boer kreeg al snel een vervolg. Een team onder leiding van Christian Ginski, ook van de Sterrewacht Leiden, heeft HD97048 onder de loep genomen – een jonge ster in het sterrenbeeld Kameleon, op ongeveer 500 lichtjaar van de aarde. Uit een nauwgezette analyse blijkt dat ook in de jonge schijf rond deze ster concentrische ringen zijn ontstaan. De symmetrie van de beide systemen is een verrassend resultaat, aangezien de meeste protoplanetaire stelsels allerlei asymmetrische spiraalarmen, leemten en wervelingen vertonen. Dankzij deze ontdekkingen is het aantal bekende schijven met meerdere sterk symmetrische ringen aanzienlijk toegenomen. Chameleon, Een bijzonder spectaculair voorbeeld van een asymmetrische schijf is vastgelegd door een groep astronomen onder leiding van Tomas Stolker van het Anton Pannekoek Instituut voor Sterrenkunde van de Universiteit van Amsterdam. Deze schijf omringt de ongeveer 450 lichtjaar verre ster HD135344B. Hoewel deze ster al vaker goed is onderzocht, heeft SPHERE nieuwe structuren in zijn protoplanetaire schijf kunnen vastleggen, waaronder een grote centrale leemte en twee opvallende spiraalarmen. Vermoed wordt dat deze zijn veroorzaakt door een of meer zware protoplaneten, die tot Jupiter-achtige werelden zullen evolueren.

Ook zijn vier donkere vegen, waarschijnlijk de schaduwen van bewegend materiaal in de schijf van HD135344B, waargenomen. Een van die vegen is in de maanden tussen waarnemingsperioden duidelijk veranderd: een zeldzaam voorbeeld van een realtime-waarneming van planetaire evolutie, die erop wijst dat er in het centrale deel van de schijf veranderingen optreden die niet rechtstreeks waarneembaar zijn met SPHERE. Dat levert niet alleen mooie plaatjes op: de flakkerende schaduwen bieden astronomen de unieke mogelijkheid om de dynamica van de binnenste regionen van de schijf te onderzoeken. Net als de concentrische schijven die door De Boer en Ginski zijn ontdekt, bewijzen deze waarnemingen van het team van Stolker dat de complexe en veranderlijke omgeving van de schijven rond jonge sterren nog steeds verrassende nieuwe waarnemingen kan opleveren. Door een indrukwekkende hoeveelheid gegevens over deze protoplanetaire schijven te verzamelen, is de oplossing van het vraagstuk hoe planeten de vorm van hun schijf beïnvloeden weer een stapje dichterbij gekomen.

Noten

[1] SPHERE heeft in juni 2014 zijn eerst licht opgevangen. Het instrument maakt gebruik van geavanceerde adaptieve optiek die de beeld-vertroebelende werking van de aardatmosfeer tegengaat. Een coronagraaf houdt het meeste licht van de centrale ster tegen en met een combinatie van differentiaal-beeldvorming en polarimetrie wordt het licht van structuren in de schijf geïsoleerd.