Stof rond sterren nader bekeken

Onderzoek met twee ruimtetelescopen en enkele grote telescopen op aarde heeft nieuwe informatie opgeleverd over de stofrijke schijven die veel sterren omringen. Daarbij is onder meer vastgesteld dat zulke schijven ook bestaan rond sterren waarbij al planeten zijn gevormd. En uit spectroscopisch onderzoek aan de stofschijven van jonge sterren blijkt dat het binnenste gedeelte ervan rijk is aan kristallijne silicaten (‘zand’). Dat zou kunnen betekenen dat het ontstaan van vaste planeten in de buurt van een ster, zoals Mercurius, Venus, de aarde en Mars bij de zon, een veelvoorkomend verschijnsel is.

Dat op z’n minst sommige sterren omgeven zijn door een ring of schijf van stof weten we al sinds 1983. In dat jaar ontdekte de InfraRood Astronomische Satelliet (IRAS) dat de sterren Wega en Bèta Pictoris meer infrarode straling uitzenden dan gebruikelijk is voor sterren van hun type. Dat duidde erop dat deze sterren zich in een stofrijke omgeving bevinden – mogelijk in het middelpunt van een min of meer platte schijf. Een jaar later werd bij Bèta Pictoris in zichtbaar licht inderdaad een stofschijf waargenomen; de opname, die de schijf in zijaanzicht toont, is sindsdien vele malen gepubliceerd.
Al lang vóór de ontdekking van de schijf rond Bèta Pictoris hadden geleerden als Immanuel Kant (1724-1804) en Pierre Simon de Laplace (1749-1827) bedacht dat ons zonnestelsel is ontstaan uit een ronddraaiende, platte materiewolk. Ergens kwam de ontdekking van een materieschijf rond een ster dus niet onverwacht.
In zo’n schijf vindt een samenklonteringsproces plaats: kleine deeltjes, bestaande uit ijs en vaste stoffen, klitten samen tot enkele kilometers grote hemellichamen die men planetesimalen noemt. Botsingen tussen deze planetesimalen leiden vervolgens niet alleen tot de vorming van nog grotere objecten (planeten), maar vormen ook een belangrijke bron van stofdeeltjes. Onder invloed van de straling van de ster wordt dit stof echter voortdurend opgeruimd: het wordt in betrekkelijk korte tijd door de ster opgeslokt (Poynting-Robertson-effect) of juist verder de ruimte in geblazen (stralingsdruk). De aanwezigheid van stof rond een ster kan dus een aanwijzing zijn dat er planeetvorming plaatsvindt.

Restmaterie

De afgelopen twintig jaar zijn bij veel sterren – vooral de wat jongere – stofschijven ontdekt. Met de Hubble-ruimtetelescoop zijn alleen al in het stervormingsgebied van de Orionnevel tientallen gevallen opgespoord.
Nu is de Orionnevel vrij ver weg (1300 lichtjaar), waardoor de Hubble-opnamen van deze schijven niet erg gedetailleerd zijn. Maar inmiddels zijn ook stofschijven bij veel nabijere sterren onder de loep genomen, zoals onlangs bij de zonachtige ster HD 107147, die zich op een afstand van ‘slechts’ 88 lichtjaar bevindt. Het resultaat is de meest gedetailleerde opname tot nu toe: een stofschijf met duidelijke structuren en een groot, leeg gat in het midden.
HD 107147 is hooguit 250 miljoen jaar oud. Dat is theoretisch oud genoeg om al planeten van het formaat ‘gasreus’ te hebben gevormd (zie verderop), maar de geboorte van kleine, rotsachtige planeten verloopt trager. Het is dus mogelijk dat rond deze ster op dit moment nog planeetvorming bezig is. Als we echter naar de afmetingen van de door ‘Hubble’ gefotografeerde schijf kijken, blijkt dat het lege binnengedeelte van de schijf de omvang van de baan van de planeet Neptunus heeft. Daarmee lijkt de kans dat er nog rotsachtige planeten in de buurt van de ster zullen ontstaan verkeken.
De stofschijf rond HD 107147 moet waarschijnlijk worden gezien als een ring van restmaterie: een jonge soortgenoot van de gordel van stof en grotere brokstukken die ons zonnestelsel omringt. Tot voor kort gingen sterrenkundigen er weliswaar van uit dat deze Kuipergordel – in tegenstelling tot de ring rond HD 107147 – slechts enkele tientallen astronomische eenheden breed is, maar daarover begint twijfel te ontstaan (zie kader ‘Kuipergordel veel omvangrijker?’).

Reuzenplaneten

Kunnen de Hubble-beelden van HD 107147 met een beetje fantasie worden beschouwd als een kijkje in de kraamkamer van een jong planetenstelsel, met de infrarood-ruimtetelescoop Spitzer is gekeken naar stelsels die ongeveer even oud zijn als het onze – ongeveer vier miljard jaar. Het gaat om sterren waarvan al bekend was dat ze door reuzenplaneten van het formaat Jupiter (en groter!) omcirkeld worden.
Het opsporen van stof rond zulke ‘oude’ sterren is moeilijker dan bij jonge sterren. De reeds aanwezige planeten hebben immers al een groot gedeelte van de oorspronkelijk beschikbare materie verzameld. Het resterende stof is doorgaans tien tot honderd maal ijler dan bij jonge sterren.
Met ‘Spitzer’ zijn 26 zonachtige sterren met planetenstelsels onderzocht. Bij zes daarvan is een Kuipergordel-achtige puinschijf ontdekt die ongeveer honderd keer zo ‘leeg’ is als die rond HD 107147. Allemaal vertonen ze een leeg centrumgebied dat zich tot ongeveer anderhalf miljard kilometer van de ster uitstrekt.
Het is voor het eerst dat er (buiten het zonnestelsel dan) stofschijven bij reeds bekende planetenstelsels zijn waargenomen. In die zin vormen de Spitzer-waarnemingen dus een directe schakel tussen de klassieke planeetvormingstheorie van Kant en Laplace en het uiteindelijke resultaat: planeten.

Kristallen

De voorgaande gevallen laten zien dat planeetvorming een ‘stoffige’ aangelegenheid is. Het waargenomen stof beperkte zich echter tot de overgebleven buitendelen van (voormalige) protoplanetaire schijven. Maar wat speelt zich in de binnendelen van zulke schijven af? Spectrale waarnemingen met de VLT Interferometer (VLTI) van ESO geven daar enige duidelijkheid over.
Een internationaal team van sterrenkundigen, onder wie Roy van Boekel, Michiel Min, Rens Waters, Carsten Dominik en Alex de Koter van het sterrenkundig instituut van de Universiteit van Amsterdam, hebben met de VLTI infraroodspectra van de binnendelen van protoplanetaire schijven bij drie jonge sterren opgenomen. Daarbij is vastgesteld dat zich hier de juiste materialen bevinden voor het ontstaan van vaste planeten zoals de aarde.
Bij de VLTI-waarnemingen is het licht van twee van de vier VLT-telescopen, die honderd meter uit elkaar staan, gecombineerd. Dat resulteert in een scheidend vermogen (bij een golflengte van 10 µm) van ongeveer 0,02 boogseconde: voldoende om de binnenste 150 miljoen kilometer van de stofschijf rond een nabije ster te bestuderen. Uit de waarnemingen blijkt dat het binnenste gedeelte van zo’n stofschijf rijk is aan kristallijne silicaatkorrels met een gemiddelde diameter van ongeveer 0,001 mm. Deze fijne ‘zandkorrels’ zijn op hun beurt ontstaan door de samenklontering van nog kleinere, amorfe stofdeeltjes, zoals die in overvloed aanwezig zijn in de interstellaire wolken waaruit sterren en hun omringende stofschijven ontstaan. (‘Amorf’ betekent dat de atomen en moleculen waaruit zo’n stofdeeltje is opgebouwd willekeurig gerangschikt zijn en dus geen regelmatig kristalrooster vormen.)
Modelberekeningen laten zien dat een planeet als de aarde alleen kan ontstaan in een omgeving die rijk is aan kristallijne korrels. De meteorieten die nog door ons zonnestelsel zwerven bevatten deze vorm van silicaat nog steeds. Op aarde zelf kunnen we hem niet meer terugvinden, omdat onze planeet een tijd roodgloeiend en gesmolten is geweest; de sporen van deze bouwstenen zijn daardoor volledig uitgewist. Volgens de onderzoekers duidt het bestaan van kristallijne silicaten bij de sterren erop dat het planeetvormingsproces al in volle gang is, en is het bijna onvermijdelijk dat dit tot het ontstaan van aarde-achtige planeten leidt.

Vallen en opstaan

Bij veel sterren is dus rijkelijk voldoende materiaal voor de vorming van planeten aanwezig. Maar hoe verloopt dat vormingsproces eigenlijk? Is het werkelijk een kwestie van samenklontering van planetesimalen die na vele duizenden jaren uitmondt in een planetenstelsel dat daardoor steeds stofarmer wordt?
Uit een recente inventarisatie van stofschijven blijkt dat het waarschijnlijk niet zo simpel ligt. Sommige sterren, ook de niet meer helemaal piepjonge, zijn gehuld in verrassend grote stofwolken. Dat duidt erop dat er in de omgeving van deze sterren talrijke botsingen tussen forse, rotsachtige objecten plaatsvinden. Als de snelheid waarmee de beide objecten op elkaar stuiten niet te groot is, zullen ze samensmelten tot één groter hemellichaam, maar in andere gevallen zullen ze elkaar compleet verbrijzelen. Planeetvorming lijkt dus een proces van vallen en opstaan, waarbij chaos troef is.
Amerikaanse onderzoekers hebben in gegevens van de Spitzer-ruimtetelescoop, de IRAS en de Infrared Space Observatory (ISO) naar stofschijven rond sterren van twee à drie zonsmassa’s gezocht. Van de 266 kandidaten bleken er 71 inderdaad een stofschijf te hebben. Maar verrassend genoeg bleek daarbij dat de schijven rond oudere sterren niet altijd ijler zijn dan die rond jongere. Sommige sterren van slechts enkele miljoenen jaren oud bleken helemaal geen waarneembare stofschijf te hebben, terwijl sommige sterren van ongeveer 100 miljoen jaar juist door zeer zware stofschijven omringd zijn.
Volgens de onderzoekers duidt dit erop dat het planeetvormingsproces soms wel honderden miljoenen kan duren. Zo lang er hevig gebotst wordt, ben je als planeet immers niet zeker van je bestaan.

Een (te) jonge planeet

En alsof het allemaal niet verwarrend genoeg is, is er ook nog de kwestie CoKu Tau 4, een slechts 1 miljoen jaar oude ster in het sterrenbeeld Stier. In juni 2004 maakten sterrenkundigen van de universiteit van Rochester (VS) bekend dat ze met de Spitzer-ruimtetelescoop een planetaire kraamkamer bij deze piepjonge ster hadden ontdekt. In de stofschijf rond de ster is een lege zone te zien, waar mogelijk een planeet ter grootte van Neptunus is ontstaan. Gezien de leeftijd van de ster zou deze planeet hooguit een half miljoen jaar oud kunnen zijn. Op zich is dat niet onverklaarbaar: volgens een van de gangbare theorieën over planeetvorming kan in de stofschijf rond een ster al heel snel – binnen enkele eeuwen (!) – een planeet ontstaan. Maar dan moet de dichtheid van het stof wel voldoende groot zijn, en dat is in het geval CoKu Tau 4 niet zo.
Volgens een ander model kunnen ook in minder dichte stofschijven planeten ontstaan, maar het aaneenklitten van stofdeeltjes zou dan heel geleidelijk gaan. En dat is een langdurige kwestie die zeker 10 miljoen jaar in beslag neemt. De ‘baby-planeet’ van CoKu Tau 4 voldoet dus aan geen van beide modellen, wat eens te meer duidelijk maakt dat onze kennis van het ontstaan van planetenstelsels nog danig tekortschiet.

(Zenit, maart 2005)

Meer informatie
http://www.astronomy.nl/inhoud/pers/persberichten/ 24_11_04.html
http://www.eso.org/outreach/press-rel/pr-2004/pr-27-04.html
http://www.pparc.ac.uk/Nw/beta_pict.asp
http://www.rochester.edu/news/show.php?id=1940
http://www.spitzer.caltech.edu/Media/releases/ssc2004-08
http://www.spitzer.caltech.edu/Media/releases/ssc2004-17
http://www.spitzer.caltech.edu/Media/releases/ssc2004-22
http://www.spitzer.caltech.edu/Media/releases/ssc2005-01
http://www.swri.org/9what/releases/2005/Sedna.htm
http://www.isas.jaxa.jp/e/snews/2004/1007.shtml

Artist’s impression van de stofschijf rond de ster Bèta Pictoris. Deze schijf is geen overblijfsel van een protoplanetaire schijf, maar wordt steeds aangevuld met stof dat vrijkomt bij botsingen tussen planetesimalen en/of bij de verdamping van kometen. Onderzoek met de Japanse Subaru-telescoop op Hawaï heeft uitgewezen dat de dichtheid van het stof het grootst is op 6, 16 en 30 astronomische eenheden van de ster. Aangenomen wordt dat zich op deze afstanden gordels van planetesimalen bevinden. (Illustratie: Kouji Kanba)

De welhaast klassieke opname van de ring rond de ster Bèta Pictoris, die in 1984 door Richard Terrile en Bradford Smith is gemaakt. Om de stofschijf zichtbaar te laten zijn, werd het licht van de ster zelf afgeschermd.

De meest gedetailleerde opname die tot nog toe van een stofschijf rond een ster gemaakt is. Het betreft de jonge, zonachtige ster HD 107147, die zich op een afstand van 88 lichtjaar bevindt. De linker helft van de schijf lijkt iets donkerder dan de rechter: dat verschil wordt veroorzaakt doordat de stofdeeltjes die tussen de aarde en de ster in zitten meer licht in onze richting verstrooien. (De lichte kant van de schijf is dus enigszins naar ons toe gekanteld.) De kleuren op deze Hubble-foto zijn niet echt, maar het licht van de schijf is inderdaad iets roder dan dat van de ster. Daaruit kan men afleiden dat de aanwezige stofdeeltjes ongeveer 1/2000ste mm groot zijn. (Foto: NASA, ESA, D.R. Ardila (JHU), D.A. Golimowski (JHU), J.E. Krist (STScI/JPL), M. Clampin (NASA/GSFC), J.P. Williams (UH/IfA), J.P. Blakeslee (JHU), H.C. Ford (JHU), G.F. Hartig (STScI), G.D. Illingworth (UCO-Lick) en het ACS Science Team)

Zes infraroodopnamen van oudere sterren met planetenstelsels. De gele, wazige vlekken zijn sterren die met stofschijven omgeven zijn. Het stof in deze schijven wordt een beetje opgewarmd door de centrale ster en zendt daardoor infraroodstraling uit. De sterren zelf zijn qua leeftijd en temperatuur vergelijkbaar met onze zon. Hoewel niet te zien op deze opnamen, zijn de centrale delen van de schijven van deze sterren vrijwel stofvrij. Dat laatste blijkt uit de vorm van de spectra van deze sterren – zie verderop. (Foto’s: NASA/JPL-Caltech/C. Beichman)

Links: Hubble-opname van de proto-planetaire schijf rond de jonge ster HD163296 (Foto: C. Grady, Astrophysical Journal). 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 vlakbij de ster groter zijn en veel meer kristallen bevatten dan de stofkorrels verder van de ster. (Illustratie: NOVA)

Deze grafiek geeft een overzicht van de tellingen van stofschijven bij sterren van verschillende leeftijden, zoals deze zijn verricht met de Spitzer-ruimtetetelescoop. Hoe hoger de positie van de schijf in het diagram, des te groter en helderder is deze. Langs de horizontale as staan de geschatte leeftijden van de sterren in kwestie. Uit de gegevens blijkt dat jonge sterren weliswaar de meeste en grootste stofschijven hebben, maar dat er ook veel jonge sterren zonder (waarneembare) stofschijf zijn. Bovendien blijkt de stofproductie in deze schijven veel langer aan te houden dan men tot nog toe dacht. (Foto: NASA/JPL-Caltech/G. Rieke (Univ. of Arizona))

De centrale opening in een stofschijf is lang niet altijd direct waarneembaar. Sterker nog: soms is de schijf zelf niet eens te zien. Toch kan zo’n schijf ontdekt worden: aan de hand van het (infrarood)spectrum van de ster in kwestie. De bovenste illustratie laat rechts een stukje van het spectrum van een ster zonder stofschijf zien: het meeste licht is afkomstig van de kortere golflengten. Dat is licht dat door het hete oppervlak van de ster zelf is uitgezonden. Bij langere golflengten zendt de ster bijna geen licht uit. De middelste illustratie toont een ster die middenin een ononderbroken schijf van stof en gas staat. Het materiaal in deze schijf is koeler dan de ster zelf en geeft (dus) een extra bijdrage in het infrarood. Dit ‘infrarood-exces’ verraadt het bestaan van de stofschijf. Het onderste diagram laat zien hoe het spectrum van een ster – in dit geval CoKu Tau 4 – eruit ziet als het binnenste gedeelte van de stofschijf leeg is. Ten opzichte van de vorige situatie ontbreekt dan het warmste stof, waardoor de helderheid in het nabij-infrarood lager is dan bij een ‘dichte’ stofschijf. (Illustratie: NASA/JPL-Caltech/D. Watson (University of Rochester))