De beelden werpen nieuw licht op hoe planetaire systemen – inclusief de onze – het levenslicht zien.

We weten dat er rond sterren – ook rond andere dan onze zon – planeten geboren kunnen worden. De vraag is echter hoe dit proces precies in zijn werk gaat. Om hier meer over te weten te komen, zijn astronomen erin geslaagd vijftien foto’s te vervaardigen van de binnenranden van een protoplanetaire schijf (dit is een schijf vergelijkbaar met een muziekplaat bestaande uit stof en gas die zich vormt rond jonge sterren). Het zijn één van de meest gedetailleerde beelden die ooit van dit soort schijven zijn gemaakt.

Hoe zien planeten het levenslicht?
Om te begrijpen hoe planetaire systemen – waaronder die van ons – zich vormen, moeten we hun oorsprong bestuderen. Wat we tot nu toe weten is dat de meeste planeten ontstaan wanneer een moleculaire wolk instort, waardoor een jonge ster ontstaat. Het systeem begint steeds een beetje sneller draaien en er ontstaat een afgeplatte schijf rondom de jonge protoster; de protoplanetaire schijf. In de miljoenen jaren die volgen botsen deeltjes in de schijf tegen elkaar, waardoor deze deeltjes samenklonteren tot steeds grotere objecten. En zo worden planeten geboren (zie ook de afbeelding hieronder).


Illustratie van de eerste stappen van het ontstaan van planeten. Linksboven: een protoplanetaire schijf bestaande uit gas en stofdeeltjes. Onder: deze deeltjes klonteren samen tot steeds grote agglomeraten. Rechtsboven: uiteindelijk leidt dit tot planeten rondom een jonge ster. Afbeelding: Daria Dall’Olio.

Aangenomen wordt dat rotsachtige planeten zoals de aarde zich vormen in de binnenste regionen van protoplanetaire schijven. Zo vormen deze zich vermoedelijk op minder dan vijf au (Astronomische Eenheid, de afstand aarde-zon) verwijderd van de ster waaromheen de schijf is gevormd.

Foto’s
Toch is er nog veel wat we niet over protoplanetaire schijven weten. Dat komt omdat ze hun geheimen niet zo gemakkelijk prijsgeven. Hoewel astronomen al wel eerder verschillende foto’s van de schijven hebben gemaakt, lukte het namelijk niet om de kleinste details vast te leggen. “De meeste van de vorige foto’s zijn gemaakt met grote telescopen of de interferometer van ALMA,” vertelt onderzoeksleider Jacques Kluska aan Scientias.nl. “Met beide technieken kunnen de schijven prima afgebeeld worden. Alleen kunnen we met deze technieken door een gebrek aan resolutie niet de binnenste regionen vastleggen; dus het gebied rond de ster op minder dan vijf au afstand.”

Nieuwe beelden
En dus besloten de onderzoekers het over een andere boeg te gooien. In de studie maakten ze gebruik van een techniek die infrarood-interferometrie wordt genoemd. Met behulp van ESO’s PIONIER-instrument op de Very Large Telescope, combineerden ze het licht dat werd verzameld door vier telescopen om op die manier de schijven in uiterst detail vast te leggen. “Op deze manier hebben we een verbazingwekkend hoge resolutie van een fractie van een astronomische eenheid (tot een tiende daarvan) kunnen bereiken,” zegt Kluska. “Dit is vergelijkbaar met het meten van de haarbreedte op het hoofd van een persoon die zich op tien kilometer afstand bevindt.” Waarom deze hoge resolutie zo belangrijk is? Zoals gezegd denken astromen dat rotsachtige planeten zoals de aarde dichtbij de moederster gevormd worden. “Bovendien is dit de plek waar de meeste planeten geboren worden,” zegt Kluska. En daarom is het ontzettend interessant om deze regio rond de ster haarscherp in beeld te krijgen.


Wiskunde

Belangrijk om hierbij te vermelden is dat de afbeeldingen niet rechtstreeks dankzij interferometrie konden worden vervaardigd. Dit moest gecombineerd worden met geavanceerde wiskunde om zo de resultaten van de waarnemingen om te zetten in afbeeldingen. Het betekent dat de details van de schijven met behulp van wiskundige berekeningen moesten worden verwerkt, op dezelfde manier als dat de eerste afbeelding van een zwart gat werd vastgelegd. “We hebben drie pogingen gedaan om de foto’s te maken, maar de ster beïnvloedde de afbeelding zodanig dat de schijf vervormde,” legt Kluska uit. “Daarom hebben we een techniek toegepast om het licht van de ster weg te halen, zodat we de schijven konden onthullen.”

De vijftien foto’s van protoplanetaire schijven. Afbeelding: Jacques Kluska et al.

De foto’s laten de protoplanetaire schijven zien die rondom sterren cirkelen die ook wel Herbig Ae/Be sterren worden genoemd. “Dit zijn sterren die minder dan 10 miljoen jaar geleden zijn gevormd, wat in kosmische termen best kort geleden is,” legt Kluska uit. “Onze zon is bijvoorbeeld al zo’n 4,5 miljard jaar oud.” Een HerbigAe/Be ster is dus een jonge ster die wordt omringd door een omhulsel van gas en stof. De sterren uit de studie zijn net iets zwaarder dan onze zon – tussen de twee en acht keer zo zwaar – en bevinden zich op enkele honderden lichtjaren afstand.

Opvallend
Als je goed kijkt naar de foto’s, vallen enkele zaken direct op. “Je kunt zien dat sommige plekken helderder zijn en andere juist minder helder,” vervolgt Kluska. “Dit verwijst naar de plekken waar planeten worden gevormd. De schijf kan bijvoorbeeld instabiel worden op plekken waar ruimtestof ophoopt, wat vervolgens kan leiden tot wervelingen. Als dit stof groeit, kan dit zich uiteindelijk ontwikkelen tot planeet.” Dankzij de foto’s kunnen we nu meer over dit stof leren. “We kunnen nu de details van de structuur van de schijf zien, die we vervolgens kunnen gebruiken om de eigenschappen van de stofkorrels – de bouwstenen van toekomstige planeten – te achterhalen,” legt Kluska uit. En dat is erg belangrijk. “Op dit moment snappen we nog niet helemaal hoe planeetvorming plaatsvindt, dus hoe een stofkorrel van een micrometer kan evolueren tot een heuse planeet. Dankzij het onderzoek komen we meer te weten over hoe planeten zich in deze regio’s vormen.”

Foto van protoplanetaire schijf rondom ster HD45677. Ter vergelijking is met de groene stippellijn de baan van de aarde, en met blauw de baan van Jupiter toegevoegd. Afbeelding: Jacques Kluska et al.

Misschien wel één van de belangrijkste nieuwe inzichten is de volgende. “We vermoedden dat de binnenste regionen van een protoplanetaire schijf niet axi-symmetrisch zouden moeten zijn vanwege de instabiliteit en voortdurende planeetvorming,” zegt Kluska. “Nu hebben we dit dankzij de foto’s direct waargenomen! We kunnen daarom nu de schijfstructuur blijven volgen en gaan begrijpen wat deze verstoringen precies veroorzaakt.”

De vijftien foto’s onthullen dus als nooit tevoren belangrijke kenmerken en details van protoplanetaire schijven. “Het is geweldig om zulke details te kunnen onthullen,” stelt Kluska. Het is bovendien belangrijk onderzoek. Uit zo’n zelfde schijf rondom onze jonge zon is namelijk ook ooit de aarde voortgekomen. “Als we dus meer over protoplanetaire schijven gaan begrijpen, zullen we ook kunnen openbaren hoe ons eigen planetaire systeem zich ooit heeft gevormd.” De onderzoekers zetten dan ook enthousiast hun studie voort. Er liggen bijvoorbeeld al plannen op tafel om elf schijven rond andere, oudere sterren die eveneens worden omringd door stofschijven te observeren. De onderzoekers zijn er namelijk van overtuigd dat ook in deze schijven planeten het levenslicht zullen zien. En dat zal ons weer een stapje dichterbij brengen om het mysterie over hoe planeten ontstaan te ontrafelen.