Zoeken naar verklaringen voor mysterieuze structuren in protoplanetaire schijven
In de schijven van stof en gas rondom jonge sterren, komen mysterieuze structuren voor. Samen met hoogleraar Ewine van Dishoeck onderzocht promovendus Paolo Cazzoletti hoe we deze vormen, zoals ringen, spiralen en gaten, kunnen verklaren. Op 12 december verdedigt hij zijn proefschrift.
Sinds de ontdekking van de eerste exoplaneet in de jaren 90 zijn er ruim 4000 exoplaneten gevonden. Planeten ontstaan in protoplanetaire schijven om jonge sterren. ‘Eerst klontert het stof samen tot korrels die geleidelijk groeien tot de grootte van kiezels en uiteindelijk tot rotsblokken en planeten’, vertelt Cazzoletti. Als ze groot en zwaar genoeg zijn kunnen ze gas uit de schijf aantrekken en in sommige gevallen uitgroeien tot gasreuzen zoals Jupiter en Saturnus.
Hoefijzers en bananen
In de eerste telescoopwaarnemingen leken protoplanetaire schijven glad en symmetrisch. Maar ongeveer zeven jaar geleden kwam daar verandering in. Met behulp van de de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) radiotelescoop in Chili konden astronomen de schijven in meer detail waarnemen. ‘Uit die waarnemingen bleek dat ze niet symmetrisch en glad zijn’, vertelt Cazzoletti. ‘We zagen structuren en vormen, zoals gaten, ringen en hoefijzer- en banaanvormige substructuren. Dat was een verrassing.’
De meest genoemde verklaring hiervoor is de aanwezigheid van een of meerdere planeten. Die kunnen interacties hebben met het stof en gas in de schijf waardoor de structuren ontstaan. Maar er werden minder planeten gevonden dan nodig om alles stof- en gasstructuren te verklaren. Cazzoletti: ‘Dat maakt de structuren mysterieuzer. We moesten op zoek naar andere verklaringen.’
Stofwervelingen
In zijn onderzoek naar verklaringen voor de structuren, bouwt Cazzoletti voort op zijn masteronderzoek. ‘Ik ben al langer geïnteresseerd in deze planeetvormende schijven’, vertelt hij. ‘En de kennis uit mijn masteronderzoek bleek goed aan te sluiten op de eerst twee hoofdstukken van mijn thesis.’
Voor zijn promotiewerk bestudeerde hij onder andere ALMA-waarnemingen van HD 135344B, een schijf om een jonge ster. Deze schijf is niet symmetrisch. Aan de zuidelijke kant is een banaanvormige structuur te zien. Het lijkt een soort stofwerveling. Verder vormen kleine stofdeeltjes in de bovenste laag van de schijf spiraalarmen. Astronomen dachten aanvankelijk dat die veroorzaakt worden door de aanwezigheid van planeten in het buitenste gebied van de schijf. Maar er werden geen planeten gevonden. Cazzoletti beschrijft in zijn thesis hoe de spiraalarmen kunnen ontstaan door de asymmetrische stofwerveling. Er is dan slechts één planeet, dichtbij de ster, nodig om de rest van de waargenomen structuur te verklaren.
Wel of geen gaten?
Naast dit observationele werk deed Cazzoletti ook theoretisch onderzoek om ringvormige structuren in gas van protoplanetaire schijven te verklaren. Hiervoor richtte hij zich op cyanide-moleculen. ‘Er zijn twee mogelijkheden waardoor we ringvormige gasstructuren zien’, zegt Cazzoletti. ‘Het kan komen door een ringvormig gat in de schijf. Of er is geen gat, maar er lijkt een gat te zijn door de chemie van de cyanide-moleculen en de manier waarop ze licht uitzenden.’ Door het analyseren van theoretische modellen ontdekte hij dat de waargenomen ringvormen geen verband houden met de vorm van de stofschijf. ‘Het zijn vooral chemische gaten doordat er dicht bij de moederster minder cyanide is.’
Meer kennis over exoplaneten
Cazzoletti’s promotieonderzoek draagt bij aan een beter begrip van de manier waarop structuren in protoplanetaire schijven ontstaan. Met die kennis hopen astronomen in de toekomst te achterhalen hoe de structuren verband houden met de vorming van planeten en de diversiteit aan exoplanetaire systemen die de afgelopen vijfentwintig jaar zijn waargenomen.
Zelf zet Cazzoletti dit onderzoek niet voort. Astronomen zijn namelijk zeer in trek als datascientists bij een heel scala van organisaties. Sinds begin november gebruikt Cazzoletti zijn kennis van data-analyse als datascientist bij het Italiaanse bedrijf Prometeia.
Tekst: Dorine Schenk