Protoplanetaire schijven zijn veel kleiner dan eerder gedacht
Veel protoplanetaire schijven, waarin zich nieuwe planeten vormen, zijn een stuk kleiner dan gedacht. Met behulp van de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) hebben wetenschappers van de Sterrewacht Leiden 73 protoplanetaire schijven in de Lupus-regio bekeken.
Ze ontdekten dat veel jonge sterren een relatief bescheiden schijf van gas en stof om zich heen hebben, soms niet groter dan 1,2 astronomische eenheden. Het onderzoek legt een belangrijk verband tussen waargenomen protoplanetaire schijven en exoplaneten.
In de afgelopen tien jaar hebben astronomen honderden protoplanetaire schijven rond jonge sterren in beeld gebracht met gevoelige radiotelescopen op aarde, zoals ALMA. Vergeleken met de afmeting van ons eigen zonnestelsel is een flink deel van deze schijven veel groter dan de baan van Neptunus, onze buitenste planeet. Bovendien vertonen de meeste schijven ringvormige gaten waar vermoedelijke grote gasplaneten ontstaan. Onderzoek van promovendus Osmar M. Guerra-Alvarado, postdoc Mariana B. Sanchez en universitair docent Nienke van der Marel van de Universiteit Leiden toont nu aan dat deze schijven mogelijk niet de norm zijn.
Met behulp van ALMA hebben de onderzoekers alle bekende protoplanetaire schijven rond jonge sterren in Lupus in beeld gebracht. Dit is een stervormingsgebied op ongeveer 400 lichtjaar van de aarde in het zuidelijke sterrenbeeld Lupus. Uit het onderzoek blijkt dat tweederde van de 73 schijven klein is, met een gemiddelde straal van zes astronomische eenheden, ongeveer de baan van Jupiter. De kleinste schijf had slechts een straal van 0,6 astronomische eenheden, kleiner dan de baan van de aarde.
'Deze resultaten veranderen onze kijk op hoe een 'typische' protoplanetaire schijf eruitziet volledig', zegt Guerra-Alvarado. 'Alleen de helderste schijven, die het makkelijkst waar te nemen zijn, vertonen grote gaten, terwijl compacte schijven zonder dit soort substructuren eigenlijk veel vaker voorkomen.'
Optimale omstandigheden voor superaardes
De kleine schijven werden voornamelijk gevonden rond sterren met een lage massa, met een massa tussen tien en vijftig procent van de massa van onze zon. Dit is het meest voorkomende type ster in het heelal. 'De waarnemingen laten verder zien dat deze compacte schijven wellicht optimale omstandigheden hebben voor de vorming van zogenaamde superaardes. Het meeste stof in de schijf bevindt zich dichtbij de ster, waar superaardes doorgaans ontstaan', aldus Sanchez. Ze is postdoc in Leiden en werkte mee aan dit onderzoek. Superaardes zijn rotsachtige planeten zoals de aarde, maar met een massa tot wel tien keer die van onze planeet. Deze resultaten kunnen mogelijk verklaren waarom superaardes vaak worden aangetroffen rond sterren met een lage massa.
Verder suggereert het onderzoek dat ons zonnestelsel is gevormd uit een grote protoplanetaire schijf waarin een aantal grote gasplaneten zoals Jupiter en Saturnus ontstonden, maar geen superaarde. Superaardes zijn waarschijnlijk de meest voorkomende planeetsoort in het heelal.
Artist’s animation of the dust trap in IRS 48
Vanwege de gekozen cookie-instellingen kunnen we deze video hier niet tonen.
Bekijk de video op de oorspronkelijke website ofOntbrekend puzzelstuk
Het onderzoek vormt een ontbrekend puzzelstuk tussen de waarnemingen van protoplanetaire schijven en observaties van exoplaneten. 'De ontdekking dat de meerderheid van de kleine schijven geen gaten vertoont, kan betekenen dat de meerderheid van de sterren geen reuzenplaneten herbergt', zegt Van der Marel. 'Dit komt overeen met wat we zien in exoplaneetpopulaties rond volgroeide sterren. Onze waarnemingen koppelen de schijfpopulatie direct aan de verzameling bekende exoplaneten.'
Eerdere hoge-resolutie-waarnemingen van ALMA richtten zich voornamelijk op heldere schijven die vaak groot zijn. Voor de kleinere schijven werd alleen de helderheid gemeten en niet de grootte. Waarnemingen met hoge resolutie kunnen gecompliceerder zijn om te doen, en het was niet duidelijk of ALMA in staat zou zijn om de relatief zwakke schijven in beeld te brengen.
Voor hun onderzoek gebruikten de wetenschappers ALMA-waarnemingen uit 2023 en 2024, met de hoogst mogelijke resolutie van 0,030 boogseconde. Ze gebruikten daarnaast archiefgegevens om voor het eerst met hoge resolutie een inventarisatie te maken van een volledig stervormingsgebied. Van der Marel: 'Het onderzoek laat zien dat we lange tijd een verkeerd beeld hebben gehad van hoe een typische protoplanetaire schijf eruitziet. Vooral de helderste en grootste schijven hebben dit beeld gedomineerd. Nu hebben we eindelijk een volledig overzicht van schijven van alle groottes.'
Over ALMA
ALMA bestaat uit 66 schotelantennes verspreid over afstanden tot 16 kilometer op de Chajnantor-hoogvlakte in de Chileense Andes. Het is een samenwerkingsverband van Europa, de Verenigde Staten, Canada, Japan, Taiwan, Korea en Chili. Nederland heeft voor de telescopen drie soorten ontvangers gebouwd: Band 5, Band 9 en Band 2. De beeldscherpte van ALMA is tot tienmaal zo groot als die van de Hubble-ruimtetelescoop.
Wetenschappelijk artikel
A high-resolution survey of protoplanetary discs in Lupus and the nature of compact discs. Door: Osmar M. Guerra-Alvarado, Nienke van der Marel, Jonathan P. Williams, Paola Pinilla, Gijs D. Mulders, Michiel Lambrechts, Mariana Sanchez. Geaccepteerd voor publicatie in Astronomy & Astrophyiscs. [preprint (pdf)]