Astronomen hebben met de ALMA-telescoop 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. Aan het onderzoek werkten onder anderen John Tobin en Steven Bos van de Sterrewacht Leiden mee. De resultaten worden op 14 juli 2016 gepubliceerd in het tijdschrift Nature.
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 Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) deze voor het eerst kon waarnemen.
Sneeuwgrens
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 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.
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 hebben de astronomen nu de sneeuwgrens van water in een protoplanetaire schijf voor het eerst 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.
Verrassing
Eerste auteur Lucas Cieza (Universidad Diego Portales, Santiago, Chili) 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.
Meer informatie, animaties, afbeeldingen en video's op de site van ESO