De onderzoekers ontdekten dat het silicaat kristalliseert bij de uitbarsting van een ster. Ze ontdekten de infraroodvingerafdruk van silicaatkristallen op de schijf van stof en gas rond de jonge ster EX Lupi tijdens een van zijn helderheidpieken die door Spitzer werd waargenomen in april 2008. Deze kristallen waren niet zichtbaar tijdens eerdere observaties met Spitzer van de ster tijdens een van zijn rustige periodes.

Een instabiliteit in de zwaartekracht van de protoplanetaire schijf leidt tot het in de ster storten van grote hoeveelheden gas en stof.

NASA/JPL/Caltech

De onderzoekers denken dat de kristallen worden gevormd door verhitting en uitgloeiing van kleine deeltjes op het oppervlak van de binnenste gas- en stofschijf door de hitte van de uitbarsting. Dit is een compleet nieuw scenario voor hoe dit soort materie ontstaat. Wetenschappers gingen tot nog toe uit van twee verschillende scenario’s voor het ontstaan van de silicaatkristallen die in kometen en gas- en stofschijven bij jonge sterren worden gevonden. Volgens één scenario zou langdurige blootstelling aan de hitte van een jonge ster in het centrum van de schijf de silicaatdeeltjes kristalliseren. Volgens het andere zou de schokgolf van een groot voorwerp in de schijf silicaatdeeltjes plotseling verhitten tot de juiste temperatuur waarop ze kristalliseren, waarna de kristallen even snel weer zouden afkoelen. Wat de onderzoekers bij EX Lupi vonden past in geen van deze theorieën. Ze concluderen daarom dat dit een derde, nooit eerder overwogen manier is waarop silicaatkristallen kunnen ontstaan.

Daardoor wordt een uitbarsting van de ster veroorzaakt die leidt tot verhitting van de lagen aan het oppervlak van de schijf.

NASA/JPL/Caltech

EX Lupi is een jonge ster die sterk lijkt op de zon van vierenhalf miljard jaar geleden. De ster heeft twee kenmerken die typerend zijn voor zeer jonge sterren. Hij wordt omgeven door een dichte schijf van stof en gas waarin planeten worden gevormd. En hij heeft om de vier, vijf jaar een piek in zijn helderheid die enkele maanden aanhoudt. Daarbij wordt de lichtintensiteit wel vijf tot tien keer zo groot. Zulke pieken worden veroorzaakt doordat de protoplanetaire schijf instabiel wordt en daardoor grote hoeveelheden materie in de ster storten. Om de 50 jaar ontstaat er een bijzonder sterke piek. Onze zon heeft waarschijnlijk in zijn jonge jaren net zo’n actieve periode met onregelmatige pieken in de helderheid gekend.

De sterrenkundigen keken in april 2008 met de infraroodspectrograaf van Spitzer naar EX Lupi. Hoewel de helderheidspiek van de ster die in januari van dat jaar was waargenomen, al begon af te nemen, was hij nog steeds dertig keer helderder dan normaal. Toen ze deze nieuwe waarnemingen vergeleken met waarnemingen gedaan met Spitzer in 2005 voor de uitbarsting begon, vonden ze aanmerkelijke verschillen.

De niet-gekristalliseerde stofdeeltjes aan het oppervlak van de schijf worden verhit, koelen af en krijgen daardoor de kristalstructuur en de groene kleur van het forsteriet.

NASA/JPL/Caltech

In 2005 bestond het silicaat op het oppervlak van de protoplanetaire schijf uit niet-gekristalliseerde stofdeeltjes. In 2008 liet het spectrum de aanwezigheid zien van silicaatkristallen bovenop het niet-gekristalliseerde stof. De kristallen bleken te bestaan uit forsteriet, een materiaal dat vaak gevonden wordt in kometen en protoplanetaire schijven. De kristallen waren heet, bewijs dat ze werden gevormd in een proces waarbij hoge temperaturen betrokken waren, maar niet door verhitting als gevolg van een schokgolf. Als dat zo zou zijn geweest, dan waren ze al afgekoeld.

Herhaalde uitbarstingen van de jonge ster leiden tot toename van de forsterietkristallen in de schijf. Daar gaan ze deel uitmaken van het kometenmateriaal.

NASA/JPL/Caltech

Bij de uitbarsting werd EX Lupi ongeveer honderd keer helderder. De kristallen werden gevormd aan het oppervlak van de schijf, precies op de afstand van de ster waar de temperatuur hoog genoeg was, rond 1000 Kelvin (725 °C) maar lager dan 1500 Kelvin (1100 °C). Boven die temperatuur zouden alle stofdeeltjes verdampen. De straal van deze kristalvormingszone is vergelijkbaar met de reikwijdte van de aardachtige planeten in ons eigen zonnestelsel, dus tot ongeveer de baan van Mars.

In deze animatie zijn de stappen te zien waarin forsterietkristallen gevormd worden in een protoplanetaire schijf.

Bron:

Meer weten?

• Kometenjacht begint! (Kennislinkartikel van ESA)
• Kometen (Volkssterrenwacht Urania)
• Nieuw zicht op kristallisatie dankzij vriesmicroscoop (Kennislinkartikel)