Je leest:

Aardes in aanbouw rond andere sterren

Aardes in aanbouw rond andere sterren

Het vinden van planeten als de aarde, maar dan rond andere sterren, kan gelden als de heilige graal van de moderne astronomie. Een team van onder meer Nederlandse astronomen geeft ons nu een directe kijk op drie zonnestelsels in wording, waar de ingredienten voor het ontstaan van een ‘aarde’ op de goede plaats zitten. Daarmee zijn voor het eerst alternatieve locaties in het heelal gevonden, waar later leven zou kunnen ontstaan.

Onze zon ontstond 4,5 miljard jaar geleden uit een koude, zware wolk gas en stof tussen de sterren die zich onder z’n eigen gewicht begon samen te trekken. Rond de jonge ster ontstond een stoffige gasschijf, waarin zich iets later ook de aarde, de overige planeten, asteroiden en kometen vormden.

We kunnen dit zelfs vandaag nog zien gebeuren, door te kijken naar de infrarood- straling van zeer jonge sterren waar zulke schijven nog omheen zitten. Voorheen konden astronomen geen ruimtelijke details in deze schijven onderscheiden, omdat ze te ver weg staan. Zelfs in de beste telescopen – bijvoorbeeld de Spitzer infrarood ruimte telescoop – is het beeld van zo’n schijf kleiner dan 1 pixel van de CCD-camera.

Maar de nieuwste MIDI-opnamen met ESO?s VLTI-observatorium in Chili, gemaakt door Roy van Boekel (Anton Pannenkoek-instituut, UvA) en een internationaal team van astronomen hebben de maximale beeldscherpte nu verbeterd tot 0,02 boogseconde (100 maal beter dan Spitzer en 10 maal beter dan een enkele VLT-telescoop). Dit werd mogelijk door het licht van twee VLT-telescopen op een onderlinge afstand van 100 meter te combineren.

Links: opname met de Hubble Space Telescope van de proto-planetaire schijf rond de jonge ster HD163296 . De jonge ster en het binnenste deel van de schijf zijn afgedekt om de zwakke emissie van de buitenste delen van de schijf zichtbaar te maken. Met het MIDI instrument van de Very Large Telescope Interferometer kunnen de binnendelen van de schijf wel bestudeerd worden. Rechts: model van dit binnenste deel van de schijf. De samenstelling van de stofkorrels in de schijf wordt afgeleid uit de vorm van de pieken in de spectra (onder). De metingen tonen aan dat de stofkorrels vlak bij de ster groter zijn en veel meer kristallen bevatten dan de stofkorrels verder van de ster. Foto: C. Grady, Astrophysical JournalKlik op de afbeelding voor een grotere versie

Met MIDI slaagden de onderzoekers erin om de infrarood straling afkomstig uit het binnengedeelte van de schijf (ongeveer ter grootte van de baan van de aarde om de zon) te onderscheiden van de straling uit de buitenste delen. De infrarood ‘vingerafdruk’ (het spectrum) geeft bovendien gedetailleerde informatie over de chemische samenstelling van het stof en zelfs de gemiddelde afmeting van de stofkorrels.

De waarnemingen laten zien dat het binnengedeelte rijk is aan korrels kristallijn silicaat (‘zand’) met een diameter van 1 micron. Deze korrels moeten al begonnen zijn samen te klonteren uit het veel fijnere, amorfe stof (diameter 0,1 micrometer) dat in de oorspronkelijke wolk voorkwam.

Voor het ontstaan van aardachtige, voornamelijk uit steen bestaande planeten is een overvloedige voorraad van dit soort ‘zand’ op ongeveer de aarde-zon afstand (150 miljoen kilometer) tot de pasgeboren ster een vereiste. Zulke oer-korrels kristallijn silicaat worden veel aangetroffen in meteorieten uit ons eigen zonnestelsel die op aarde terecht komen.

Boven: foto’s van de mineralen enstatiet en forsteriet, die ook in de aardkorst worden gevonden. De stapeling van de atomen in deze mineralen is schematisch aangegeven. De spectra daaronder geven de ‘vingerafdruk’ van de materialen zoals die door MIDI kunnen worden geregistreerd. Deze ‘vingerafdrukken’ kunnen worden herkend als pieken in het MIDI spectrum van de jonge ster HD142527 (onder). Daarmee is aangetoond dat de bouwstenen van aardachtige planeten voorkomen in de binnenste delen van de proto-planetaire schijf van deze jonge ster, op een plek die vergelijkbaar is met de lokatie van de Aarde ten opzichte van de Zon.

Een van de teamleden, dr Rens Waters (UvA): “Met alle ingredienten op hun plaats en met het klonteren van stof tot grotere korrels al op gang, is het hoogst onwaarschijnlijk dat het proces hier stopt. Dus het ontstaan van steeds grotere brokken steen en, tenslotte, aardachtige planeten uit deze schijven is bijna onvermijdelijk.” De aanwezigheid van zulke planeten is onontbeerlijk voor het eventuele ontstaan van leven elders in het heelal. Alle tot nu toe gevonden planeten (ruim 100) rond andere sterren zijn gasreuzen, zonder vast oppervlak of vloeibaar water.

Het was al enige tijd bekend dat het grootste deel van het stof in schijven rond pasgeboren sterren uit silicaten bestaat. In de primaire wolk is het stof amorf, wat wil zeggen dat de atomen en moleculen in een stofkorrel onregelmatig op elkaar liggen. De korrels zijn ook zeer klein, 0,1 micrometer diameter.

In de schijf vlak bij de ster, waar temperatuur en dichtheid het hoogst zijn, hebben stofkorrels theoretisch de neiging om samen te klonteren. Ook zal de hitte (~ 1000 graden) ervoor zorgen dat de moleculen in de korrels zichzelf in een regelmatig patroon rangschikken, zodat kristallen ontstaan. Op deze manier moet stof in de schijf tot op ongeveer de helft van de afstand aarde-zon kunnen worden omgezet van ‘ongerept’ (kleine, amorfe korreltjes) tot ‘opgewerkt’ (grotere, deels gekristalliseerde korrels). Silicaat korrels zenden een karakteristieke mix van infrarood straling uit rond een golflengte van ongeveer 10 micrometer. De exacte samenstelling van deze mix (het spectrum) hangt zowel van de grootte als de mate van kristallisatie af. Voorheen lieten de infrarood spectra een mengsel van ongerept en opgewerkt materiaal zien, maar waar dit precies in de schijf voorkwam was niet te zeggen.

Het MIDI-team heeft nu infrarood-spectra verkregen van de schijven rond sterren die pas een paar miljoen jaar oud zijn, met een ruimtelijke resolutie van 0,02 boogseconde (vergelijkbaar met het lezen van een krant op een afstand van tien kilometer). Daaruit bleek dat het stof dicht bij de ster inderdaad meer opgewerkt is dan het stof in de buitengebieden. In twee van de sterren (HD 144432 en HD 163296) was het stof in de buitengebieden nog vrijwel ongerept, terwijl bij de derde ster (HD 142527) de hele schijf al vrij ver was opgewerkt, met in het centrum zelfs compleet kristallijn silicaat-stof. Voor Waters is de conclusie ondubbelzinnig: “Deze bouwstenen voor aard-achtige planeten zijn er van het begin af aan. De aarde is gemaakt van zulke kristallen.” Op aarde zelf kunnen we dat niet meer terugvinden, omdat die kort na z’n ontstaan een tijd lang roodgloeiend en gesmolten geweest is, en pas later een vaste korst vormde. De sporen van deze bouwstenen zijn daardoor volledig uitgewist. De asteroiden, de talloze steenbrokken die tussen de banen van Mars en Jupiter om de zon draaien, en waarvan soms fragmenten als meteoriet op aarde tercht komen, bevatten wel nog deze kristallijne korrels.

Verrassender is dat ook de kometen in ons zonnestelsel zowel ongerept als opgewerkt materiaal bevatten. We weten dat kometen nog verder van de zon dan de buitenste planeten ontstaan zijn, waar het altijd koud is geweest. Hoe de kristallijne stofkorrels zo ver van de zon af terecht gekomen zijn is nog onduidelijk. In de ‘radieel mixen’-theorie worden de kristallen naar buiten getransporteerd door turbulente bewegingen in de jonge, nog tamelijk compacte schijf. In andere theorie’¬ontstaan de kristallen ook in koude gebieden van een zonnestelsel, door schokgolven of bliksems in de schijf, of door talrijke onderlinge botsingen van grote fragmenten. Het team, dat verslag doet van z’n onderzoek in de 25 November editie van Nature, concludeert dat de ‘radieel mixen’-theorie de waarnemingen het best verklaart, wegens het grote reservoir aan opgewerkt stof in het binnenste deel van de schijf. Dit betekent dat de kometen die ons soms vanuit de buitengewesten van het zonnestelsel bezoeken niet alleen het ongerepte stof bevatten uit de gaswolken tussen de sterren, maar ook de eerste bouwstenen van de aarde. Het zijn kosmische ‘stenen van Rosetta’, die dateren uit een tijdperk toen de aarde en de overige planeten zich nog moesten gaan vormen.

MIDI is de ‘MID-infrared Instrument for the VLT Interferometer’. Het combineert het licht van twee 8,2 meter VLT-telescopen op de berg Paranal in Chili, zodat een virtuele telescoop met een spiegeldiameter van maximaal 100 meter ontstaat.

Referenties:

Nature, 25 November, ‘The building blocks of planets within the ’terrestial’ region of protoplanetary disks’.

Het MIDI-team bij deze waarnemingen bestaat uit astronomen van het Anton Pannekoek-instituut (Universiteit van Amsterdam), de Leidse Sterrewacht (Universiteit Leiden) en collega’s uit Belgie, Frankrijk, Duitsland en van ESO (European Southern Observatory).

Dit artikel is een publicatie van Nederlandse Onderzoekschool voor Astronomie (NOVA).
© Nederlandse Onderzoekschool voor Astronomie (NOVA), alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 25 november 2004

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.