Astronomen hebben met behulp van de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) ontdekt dat het buitenste deel van de stofschijf rond een bruine dwerg millimeter-grote korreltjes kan bevatten zoals die ook in de schijven rond pasgeboren sterren voorkomen. Deze verrassende ontdekking roept twijfels op over de bestaande theorieën over het ontstaan van rotsachtige planeten ter grootte van de aarde. Zulke planeten zouden wel eens talrijker kunnen zijn dan gedacht.
Vermoed wordt dat rotsachtige planeten ontstaan door het willekeurig botsen en samenkleven van aanvankelijk microscopisch kleine deeltjes in de materieschijf rond een ster. Deze korreltjes, die kosmisch stof worden genoemd, zijn vergelijkbaar met roet of fijn zand. Astronomen dachten dat zulke korreltjes in de buitenste regionen rond bruine dwergen – sterachtige objecten die te klein zijn om te stralen zoals een ster – niet kunnen ontstaan, omdat hun schijven dun zijn en de daarin aanwezige deeltjes te snel bewegen om na een botsing aan elkaar te blijven plakken. Ook suggereren de huidige theorieën dat eventueel gevormde korreltjes zich snel in de richting van de centrale bruine dwerg zouden moeten verplaatsen. Ze zouden daardoor uit de buitenste delen van de schijf verdwijnen en niet meer te detecteren zijn.
‘We waren compleet verrast door de ontdekking van millimeter-grote korreltjes in deze dunne kleine schijf,’ zegt Luca Ricci van het California Institute of Technology (VS), die leiding gaf aan een team van astronomen uit de VS, Europa en Chili. ‘Vaste korreltjes van die afmetingen zouden in de koude buitengebieden van de schijf rond een bruine dwerg niet mogen ontstaan, maar dat doen ze klaarblijkelijk toch. We weten niet of zich daar een complete planeet zou kunnen vormen, of al heeft gevormd, maar we zien wel de eerste stappen van dat proces. We moeten onze ideeën omtrent de omstandigheden waaronder zulke vaste deeltjes ontstaan dus herzien,’ aldus Ricci.
Dankzij ALMA’s grotere beeldscherpte in vergelijking met eerdere telescopen konden de astronomen ook koolmonoxidegas rond de bruine dwerg detecteren. Het is voor het eerst dat koud moleculair gas in zo’n schijf is waargenomen. Deze ontdekking, en die van de millimeter-grote korreltjes, wijst erop dat de schijf veel meer op die rond jonge sterren lijkt dan tot nu toe werd gedacht.
Ricci en zijn collega’s deden hun ontdekking met de gedeeltelijk voltooide ALMA-telescoop in de hooggelegen Chileense woestijn. ALMA is een groeiende verzameling van uiterst gevoelige schotelantennes die als één telescoop samenwerken om het heelal met grensverleggende nauwkeurigheid te onderzoeken. ALMA ‘ziet’ licht met golflengten van een millimeter, dat onzichtbaar is voor het menselijk oog. De bouw van ALMA zal naar verwachting in 2013 voltooid zijn, maar astronomen doen al sinds 2011 waarnemingen met een deel van de ALMA-schotels.
De astronomen hebben ALMA gericht op de jonge bruine dwerg ISO-Oph 102, ook bekend als Rho-Oph 102, die deel uitmaakt van het stervormingsgebied bij de ster Rho Ophiuchi in het sterrenbeeld Slangendrager. De bruine dwerg is zestig keer zo zwaar als de planeet Jupiter, maar zestien keer lichter dan de zon. Hierdoor heeft hij te weinig massa om de thermonucleaire reacties op te starten die normale sterren aan het stralen brengen. Wel trekt de bruine dwerg door zijn eigen zwaartekracht samen, waardoor energie vrijkomt in de vorm van warmte en een zwakke rode gloed.
ALMA verzamelde licht met golflengten van ongeveer een millimeter, zoals dat wordt uitgezonden door het schijfmateriaal dat door de bruine dwerg is opgewarmd. De korreltjes in de schijf zenden niet veel straling uit op golflengten die groter zijn dan hun eigen afmetingen. Hierdoor kan bij langere golflengten een karakteristieke afname in de intensiteit van de straling te zien zijn. ALMA is een ideaal instrument voor het meten van deze steile afname en dus ook voor het opmeten van de korreltjes. De astronomen hebben gekeken hoe helder de stofschijf is op golflengten van 0,89 en 3,2 millimeter. De helderheidsafname tussen deze beide golflengten was minder steil dan verwacht, wat betekent dat er nog korreltjes aanwezig zijn met afmetingen van een millimeter of groter.
‘ALMA is een krachtig nieuw hulpmiddel voor het ontraadselen van het planeetvormingsproces,’ merkt teamlid Leonardo Testi van ESO op. ‘Als we dit met eerdere telescopen hadden geprobeerd, hadden we bijna een maand moeten waarnemen – praktisch onmogelijk lang. Maar met slechts een kwart van ALMA’s uiteindelijke antenne-arsenaal was de klus in minder dan een uur geklaard!’
In de nabije toekomst zal de ALMA-telescoop krachtig genoeg zijn om gedetailleerde opnamen van de schijven rond Rho-Oph 102 en andere objecten te maken. ‘We zullen dan niet alleen de aanwezigheid van kleine deeltjes in schijven kunnen aantonen, maar ook hun verdeling over de circumstellaire schijf en hun interacties met het daarin gedetecteerde gas in kaart kunnen brengen. Dit leert ons beter begrijpen hoe planeten ontstaan,’ aldus Ricci.